Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU 8
Chương 1:Tổng quan về công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu vỏ tôm theo ti êu
chuẩn Nhật Bản 10
1.1. Tổng quan về chitin. 10
1.1.1. Sự tồn tại của chitin trong tự nhi ên. 10
1.1.2. Cấu tạo và tính chất của chitin. 11
1.1.3. Một số ứng dụng của chitin. 12
1.2. Quy trình công ngh ệ sản xuất chitin từ phế liệu vỏ tôm theo ti êu chuẩn
Nhật Bản 14
1.2.1. Tiêu chuẩn chất lượng chitin dành cho thị trường Nhật. 14
1.2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ. 15
1.2.3. Sơ đồ công nghệ. 18
1.2.4. Phân tích quy trình k ỹ thuật. .20
Chương 2: Thiết kế kỹ thuật hệ thống thiết bị 23
2.1. Yêu cầu kỹ thuật thiết bị. 23
2.2. Chọn phương án thiết kế mô hình 24
2.2.1. Các phương án hi ện hành 24
2.2.2. Chọn phương án thiết kế 25
2.3. Thiết kế mô hình. 37
2.3.1. Tính toán bộ khuấy đảo trong th ùng làm việc chính 37
2.3.2. Tính toán bộ gia nhiệt. 41
2.3.3. Tính chọn các thiết bị khác. 61
2.4. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật. 64
Chương 3: Thiết kế chế tạo mô h ình hệ thống thiết bị 65
3.1. Xác định dạng sản xuất. 65
3.2. Quy trình công ngh ệ chế tạo bộ khuấy đảo. 66
3.3. Quy trình công ngh ệ chế tạo bộ gia nhiệt. 67
3.3.1. Gia công thân v ỏ chính. 70
7
3.3.2. Gia công vỉ ống chùm 77
Tuy nhiên cho đến nay ở Việt Nam, quá trình sản xuất Chitin chỉ thực hiện
bằng thủ công năng suất thấ p và gây độc hại khá nghiêm trọng cho người lao động
cũng như làm ô nhiễm môi trường. Thiết kế chế tạo thành công thiết bị sản xuất
Chitin từ phế liệu thủy sản , đặc biệt là từ vỏ tôm sẽ giúp tăng năng suất lao động,
giảm mức độ độc hại hóa chất cho công nh ân và góp phần công nghiệp hóa - hiện
đại hóa ngành chế biến thủy sản cũng như góp phần nâng cao đời sống x ã hội và
bảo vệ môi trường sống. Do nhu cầu cấp thiết của thị tr ường cũng như đời sống xã
hôi, đặc biệt là bảo vệ môi trường sống nên em chọn đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế
chế tạo mô hình hệ thống thiết bị sản xuất chitin từ phế liệu vỏ tôm theo ti êu
chuẩn Nhật Bản”.
Đồ án được trình bày với các nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu vỏ tôm theo
tiêu chuẩn Nhật Bản.
Chương 2: Thiết kế kỹ thuật hệ thống thiết bị.
Chương 3: Thiết kế chế tạo mô h ình hệ thống thiết bị.
9
Chương 4: Quy trình lắp ráp và sử dụng.
Kết luận và đề xuất.
Em xin chân thành c ảm ơn thầy PGS.TS Phạm H ùng Thắng, thầy Nguyễn Văn
Hân và các thầy trong bộ môn Chế tạo máy đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tận t ình
và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành tốt đồ án này.
Tuy nhiên, do trình độ của bản thân và thời gian còn hạn chế so với nội dung
của đồ án nên trong đồ án còn nhiều hạn chế cũng nh ư thiếu sót. Em rất mong nhận
được những ý kiến nhận xét của các thầy để đồ án của em được hoàn thiện hơn .
Nha Trang, ngày 30 tháng 12 năm 2010.
Sinh viên thực hiện:
Đỗ Xuân Lộc
10
Chương 1:
Tổng quan về công nghệ sản xuất chiti n từ phế liệu
hoàn thiện quy trình sản xuất chitin-chitosan đồng thời nghiên cứu các ứng dụng
của nó trong lĩnh vực công nghiệp.
1.1.2. Cấu tạo và tính chất của chitin.
1.1.2.1. Cấu tạo của chitin.
- Từ những nghiên cứu về sự thuỷ phân chitin bằng enzim hay HCl đậm đặc,
người ta thấy rằng chitin có cấu trúc polymer tuyến tính được từ các đơn vị N-
acetyl--D-Glucosamin nối với nhau nhờ cầu nối -1-4glucozit
- Công thức cấu tạo:
- Công thức phân tử:
[C
8
H
13
O
5
]
n
n : thay đổi tuỳ thuộc vào từng loại nguyên liệu
Ví dụ: n= 400 ÷500 ở tôm thẻ
n= 700 ÷800 ở tôm hùm
n= 500 ÷ 600 ở cua
- Phân tử lượng M
chitin
= (203,09)
n
phân tử luợng
1.1.2.2. Các tính chất của chitin.
- Chitin có màu trắng, không tan trong nư ớc, trong môi trường kiềm, axít loãng
và các dung môi hữu cơ ete, rượu… Nhưng nó lại hoà tan trong dung dịch đặc nóng
n
O
2
; nước Jave NaClO hay clorua vôi [CaClO]…
- Chitin khó hoà tan trong thu ốc thử Schweizei Sapranora. Điều n ày có thể do
nhóm axêtamin (-NHCOCH
3
) ngăn cản sự tạo thành các phức hợp cần thiết.
- Khi đun nóng trong axít HCl đ ậm đặc thì chitin bị thuỷ phân hoàn toàn thành
85,5% D-Glucosamin và 12,5% axít axetic. Quá trình thu ỷ phân bắt đầu xảy ra ở
mối nối glucozit, tiếp theo l à là sự loại bỏ nhóm acetyl ( -CO-CH
3
).
(C
32
H
54
O
21
)
x
+ 2(H
2
O) = (C
28
H
50
O
19
)
x
tím, vì vậy chitosan là gạch nối giữa hoạt chất của kem v à da.
1.1.3.3. Trong Y học.
Chitin có hàng loạt ứng dụng trong vấn đề chăm sóc sức khoẻ cho con ng ười,
như thuốc mỡ làm lành vết thương, thuốc chữa bỏng da
Chitosan có tác dụng làm tăng quá trình tái tạo mô, tăng liền viết th ương,
không gây đôc cho tế bào, màng chitin có tác d ụng trong việc chuyển hoá của tế b ào
ở điều kiện nghèo dinh dưỡng kéo dài, điều này có lợi cho việc điều trị vết th ương.
Chitosan dùng làm ch ất phụ da rất tốt cho kỹ nghệ b ào chế dược phẩm (keo
kết dính viên, tá dược chất tạo màng, tạo nang mềm… ). Chitosan l à chất mang
polymer sinh học để gắn thuốc bằng li ên kết cơ học hay hoá học nhằm tạo ra thuốc
polymer có nhiều tác dụng mới.
1.1.3.4. Trong nông nghiệp.
Chitosan được dùng một thành phần chính trong thuốc ph òng trừ nấm dùng
làm thuốc kích thích sinh tr ưởng cho lúa, cây công nghiệp, cây ăn quả v à các lọai
cây cảnh.
Chitosan có tách d ụng khá lâu dài trên lá và cây, làm tăng độ nảy mầm hạt,
tăng việc tạo diệp lục tố trong lá, tăng khả năng đâm rễ, thúc đẩy quá tr ình ra hoa
kết quả, làm tăng năng suất cây trồng.
1.1.3.5. Xử lý chất thải và nước thải.
Chitosan có khả năng tạo phức với kim loại v ào nhóm amin, nó có th ể giữ
được nhiều kim loại chuyển tiếp v à những kim loại đứng sau kim loại chuyển tiếp
do tạo thành phức chất vòng nên được sử dụng làm chất keo tụ trong xử lý n ước
thải công nghiệp.
1.1.3.6. Trong công nghiệp nhẹ.
14
Chitosan là chất phụ gia rất tốt trong xử lý bề mặt giấy, đặc biệt giấy cao cấp
như giấy ảnh. Do công thức hoá học của chitosan v à cellulose gần giống nhau, chỉ
cần thay thế nhóm –NH
2
của Chitosan bằng nhóm –OH của cellulose là có thể từ vỏ
Total N
6,0 ± 0,5%
AOAC 990.03,2002
+ Nước sử dụng: Phải đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN5502:2003 và 4 l ần/
năm kiểm tra 12 chỉ tiêu Hg, Cd, CN-, Pb, Cr(6+), Mn, Fe, Mg, d ầu khoán, N-NO2,
15
N-NO3. Để đạt được tiêu chuẩn này và đảm bảo chất lượng, chỉ sử dụng nước giếng
và nước công nghiệp.
+ Quản lý pH: Trong quá trình rửa sau xử lý hóa chất, không trung hòa chitin.
Rửa sản phẩm đến khi pH n ước trong vỏ tôm (chitin) đ ược pH ≈ 7,0 với nước rửa
để đảm bảo hóa chất v à chất dơ bẩn được rửa ra ngoài chitin.
+ Phơi: Chỉ sử dụng ánh nắng mặt trời hay l ò sấy sử dụng hệ thống trao đổi
nhiệt. Không sử dụng than đá và các chất đốt khác để hạn chế chất độc hại dính v ào
chitin.
+ Nguồn nguyên liệu: Để xác định nguồn gốc, phải l àm rõ ràng về xuất xứ
nguyên liệu và ngày thu gom nguyên li ệu. Nhà máy thủy sản xuất xứ vỏ tôm n ên có
chứng chỉ HACCP hay ISO22 000:2005. Thời gian vận chuyển v à bắt đầu xử lý
nguyên liệu phải là trong vòng 6 tiếng.
+ Môi trường làm việc: Để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, x ưởng sản
xuất chitin phải phù hợp với các tiêu chuẩn cơ bản về thực phẩm nh ư không có
động vật, không phát sinh dòi, không ăn uống, hút thuốc trong x ưởng, đạt 5S, không
tiếp xúc với các chất khác ngo ài vật liệu được phép sử dụng trong chế biến thực
phẩm.
1.2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ.
+ Xử lý sơ bộ (ép & ngâm enzyme): làm sạch sơ bộ bằng cách nhặt loạ i bỏ
các tạp chất (giấy, sạn, cát…vv). Sau đó tiến h ành ép để tách nước và một phần
protein. Tiến hành ngâm enzyme, n ồng độ sử dụng từ 0,1 -0,2% trong thời gian 8
giờ để tiếp tục loại bỏ protein. Sau khi đạt thời gian qui định, tiếp tục ép mẫu. Tất
cả lượng dịch ép được tập trung vào bể để thu hồi protein.
+ Khử khoáng: Ngâm trong HCl ở nhiệt độ 70
+ Đánh giá chất lượng chitin: chitin sẽ được đánh giá các chỉ ti êu: màu sắc,
hàm lượng ẩm, hàm lượng protein, tro, tạp chất.
+ Thu hồi protein: Dịch thủy phân protein ở các b ước xử lý enzym và xút
loãng được tập trung vào một bể và tiến hành thu hồi protein bằng phương pháp kết
hợp: phương pháp điểm đẳng điện kết hợp keo tụ. Sau đó protein kết tủa đ ược phân
riêng dùng thiết bị ly tâm hoặc thiết bị lọ c ép. Thời gian xử lý thu hồi protein
khoảng 2 giờ, phụ thuộc nhiều v ào thiết bị phân riêng sử dụng. Protein thu hồi đ ược
17
phân tích các chỉ tiêu chất lượng như: hàm lượng protein, hàm lượng tro, hàm
lượng lipid, hàm lượng chitin, hàm lượng astaxanthin…vv. Protein sau khi thu h ồi
có thể sử dụng bổ sung v ào thức ăn thủy sản hoặc l àm phân hữu cơ. Phần nước sau
khi tách protein được đưa vào bể trung hòa.
+ Xử lý nước thải: Nước thải được xử lý theo phương pháp truyền thống như
lắng gạn, kỵ khí, hiếu khí, tiệt trùng. Để nâng cao hiệu quả xử lý, cần kết hợp xử lý
bằng ôzôn.
+ Xử lý khí: Công nghệ được thực hiện trong hệ thống kín với bộ xử lý hơi
bằng than hoạt tính và hệ thống dung dịch hóa chất nên sẽ đảm bảo hệ thống làm
việc tốt, không gây ô nhiễm môi trường không khí và nước cho vùng sản xuất.
- Đối với khí trong các quá tr ình ngâm axit và rửa axit thì được sục qua dung
dịch NaOH loãng để trung hòa sau đó mới thoát ra môi trường qua lớp than hoạt
tính.
- Ngược lại, đối với khí trong các quá tr ình ngâm kiềm và rửa kiềm thì được
sục qua dung dịch HCl lo ãng để trung hòa sau đó mới thoát ra môi trường qua lớp
than hoạt tính.
Chú ý:
- Việc áp dụng khâu ép, xử lý enzym l à rất quan trọng vì sẽ giảm lượng hóa
chất sử dụng, hạn chế ô nhiễm môi tr ường. Quá trình xử lý không ảnh hưởng xấu
đến chất lượng protein. Việc thu hồi protein sẽ l àm tăng hiệu quả sản xuất và giúp
giảm ô nhiễm môi trường, nước thải của quá trình sản xuất.
- Trong công nghệ sản xuất cần phải áp dụng máy móc thiết bị v ào sản xuất:
0
C)
Rửa trung tính
Bột Protein
Thu hồi
Protein
Bể chứa
Bể chứa
Tiệt trùng
Bể chứa
Thải ra
môi trường
(Đạt TC loạiB)
Phơi, sấy
Sàng, phân cỡ,
đóng gói
Chitin thành phẩm
Trung hòa
Bể chứa
Khử Protein
(NaOH - 70
0
C)
Xử lý kỵ khí
Xử lý hiếu khí
Rửa trung tính
Bể chứa
Thu hồi
Protein
Bể
thời làm giảm kích thước nguyên liệu. Hơn nữa, bước ép uớt sẽ loại bỏ tạp chất v à
nước trong nguyên liệu làm cho quá trình xử lý tiếp theo được hiệu quả hơn.
- Tuy nhiên, việc cắt nguyên liệu không được quá nhỏ vì sẽ gây khó khăn cho
quá trình ngâm, đảo, rửa tiếp theo . Quá trình này được thực hiện ở một thiết bị
riêng trước khi đưa trực tiếp vào thùng làm việc chính (thùng ngâm, đảo, rửa) để
thực hiện các công đoạn ngâm, đảo, rửa.
b, Quá trình ngâm, đảo, rửa:
+ Ngâm đảo: Trong quy trình sản xuất chitin thì ta có hai công đoạn rất quan
trọng, đó là ngâm axít (HCl) và ngâm kiềm (NaOH) . Để rút ngắn thời gian trao đổi
chất của nguyên liệu với dung dịch cần phải :
- Giữ nhiệt độ dung dịch nguy ên liệu ổn định trong suốt quá trình ngâm: Đối
với quá trình ngâm kiềm là 70
0
C và quá trình ngâm axit là 60
0
C.
- Đảo nguyên liệu theo một tốc độ n ào đó.
+ Rửa trung tính:
- Đây là giai đoạn trung gian giữa các công đoạn trong quy tr ình sản xuất, để
cho các công đoạn tiếp theo không còn lẫn dung dịch của công đoạn tr ước.
- Để rửa trung tính ta chú ý chỉ đ ược sử dụng nước mà không được sử dụng bất
cứ thêm hóa chất nào để làm trung tính. (Ví dụ: Trung tính trong quá trình r ửa
kiềm bằng axit và ngược lại rửa trung tính quá trình axit bằng kiềm).
c, Quá trình phơi sấy:
- Đây là công đoạn cuối cùng của quy trình sản xuất chitin để đạt độ khô theo
yêu cầu.
- Sau khi thực hiện xong các công đoạn ngâm đảo rửa th ì nguyên liệu được lấy
ra đem phơi dưới ánh nắng mặt trời để đạt đ ộ ẩm theo yêu cầu. Ưu điểm của
22
phương pháp này là không t ốn kém nhiên liệu và không hại cho người sản xuất
- Khi thực hiện quy trình sản xuất chitin có những công đoạn làm việc ở nhiệt
độ cao do đó thiết bị phải có hệ thống đảm bảo nhiệt độ đúng y êu cầu.
- Việc cung cấp nguyên liệu và thu sản phẩm, dung dịch cần đ ơn giản và phù
hợp với các tiêu chuẩn an toàn lao động hiện hành .
- Trong quá trình ng âm đảo, nguyên liệu phải chuyển động theo y êu cầu đồng
đều nhau và liên tục để các phản ứng tách và khử sẽ xảy ra nhanh nhất và tốt nhất.
24
- Thiết bị phải thực hiện tốt chức năng sấy khô để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh
đạt các yêu cầu chất lượng qui định.
- Thiết bị có kết cấu và công nghệ chế tạo phù hợp với khả năng gia công trong
nước và sử dụng tối đa các chi tiết v à thiết bị tiêu chuẩn có bán trên thị trường trong
nước.
2.2. Chọn phương án thiết kế mô hình.
2.2.1. Các phương án hi ện hành.
2.2.1.1. Tổng quan về thiết bị sản xuất trên thế giới.
Trong quá trình sản xuất Chitin thì chưa sử dụng đồng nhất tr ên một loại thiết
bị, mà ở mỗi khâu (công đoạn) đ ược thực hiện trên một loại thiết bị khác nhau nh ư:
vỏ tôm từ phế liệu phải qua máy ép rồi tới ngâm axit, bazơ đảo,…ví dụ đối với khâu
ngâm đảo kiềm thì được thực hiện ở máy ngâm đảo (loại máy n ày chỉ có một chức
năng duy nhất là khuấy trộn để thực hiện các phản ứng đ ược nhanh hơn, đồng đều
hơn), khi kết thúc công đoạn n ày thì phải đưa nguyên liệu ra và đưa vào một thiết bị
khác để sấy. Các thiết bị n ày làm việc độc lập nhau, chế độ l àm việc, kết cấu của
thiết bị phụ thuộc yêu cầu của mỗi khâu. Mặc d ù quá trình sản xuất Chitin đã được
cơ giới hoá, nhưng do trong một quy trình sản xuất còn có sự riêng biệt của các
công đoạn (nguyên lý sản xuất dựa trên dây chuyền của các thiết bị), chắc chắn sẽ
ảnh hưởng tới năng suất v à chất lượng của sản phẩm. Việc chế tạo các thiết bị sản
xuất theo các khâu ri êng biệt thì thiết bị sẽ có kết cấu đ ơn giản, vật liệu chế tạo chỉ
cần thoả mãn chống acid hoặc kiềm.
2.2.1.2. Tổng quan về thiết bị sản xuất ở Việt Nam.
Quá trình sản xuất Chitin ở Việt Nam còn rất thủ công, các khâu chủ yếu đ ược
9- Hệ thống xả dung dịch sau gia công
27
+ Các bình chứa (axít, nước, kiềm) cần cung cấp đủ l ượng dung dịch cần thiết
cho thiết bị, trước khi vận hành phải được kiểm tra lượng hóa chất cần thiết trong
các bình.
+ Bước tiếp theo là công việc cấp nguyên liệu (với một khối l ượng đã được
định trước từ máy ép - 500kg vỏ tươi) vào thùng quay.
+ Tiếp tục đưa hỗn hợp nước và axít vào thùng quay, h ỗn hợp này được điều
chỉnh theo một tỷ lệ nhất định, nhờ việc điều khiển các van. Khi nguy ên liệu và
dung dịch được cấp đầy đủ vào thùng quay thì hệ thống cửa và van được đóng lại để
bắt đầu cho quá trình ngâm đảo. Lúc này rôto sẽ quay với một tốc độ xác định đ ược
truyền từ động cơ thông qua hệ thống truyền động.
+ Tuỳ theo từng yêu cầu của quy trình sản xuất chitin- Chitosan mà điều chỉnh
nhiệt độ dung dịch ở nhiệt độ nào đó. Quá trình ngâm đảo được thực hiện trong một
thời gian nhất định, khi kết thúc công đoạn n ày, hệ thống van sẽ đ ược mở ra đưa
dung dịch từ thiết bị ra một bể b ên ngoài để tái tạo lại và sau đó máy sẽ thực hiện
chức năng ly tâm với tốc độ quay xác định của rôto đ ược tính toán trước, trong một
khoảng thời gian nhất định.
+ Khi kết thúc quá trình, tiếp tục đưa nước từ bình chứa vào thực hiện quá
trình rửa, trong lúc này rôto vẫn quay. Sau một thời gian rửa kết thúc máy sẽ chuyển
sang công đoạn ngâm đảo kiềm, việc điều khiển hỗn hợp dung dịch đ ưa vào thùng
cũng thông qua hệ thống các van v à cũng quay với một tốc độ nhất định.
+ Khi các công đoạn ngâm đảo, rửa kết thúc máy chuyển sang công đoạn ly
tâm ( lúc này dung d ịch ở trong thùng đã được tháo hết ra). Máy sẽ quay với tốc độ
giống như tốc độ của quá trình ngâm đảo để tách nước từ nguyên liệu ra, công việc
ly tâm được thực hiện trong một thời gian th ì sẽ đưa dòng không khí nóng vào
thùng quay để thực hiện quá tr ình sấy rồi đưa ra sản phẩm cuối cùng.
+ Việc tháo liệu nhờ vào hệ thống cánh bên trong thùng quay. Các cánh này b ố
trí sao cho khi động cơ quay ngược chiều với các công đoạn tr ước thì sản phẩm tự
động tháo ra ngoài và quá trình sản xuất kết thúc.
. Còn thời gian
sản xuất ra Chitosan đ ã giảm đi từ 48 ÷ 72 giờ xuống c òn hơn 16 giờ 30 phút.
29
- Tiết kiệm sức lao động của công nhân l àm việc. Tạo môi trường làm việc an
toàn cho công nhân. Do không ph ải tiếp xúc trực tiếp với hóa chất công nghiệp
trong quá trình chiết xuất Chitin - Chitosan.
* Nhược điểm.
Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động hiệu quả h ơn ta cần khắc phục những điểm
sau:
- Hệ thống đảo rửa chưa đạt hiệu quả cao, l àm cho nguyên liệu vỏ tôm chưa
được tiếp xúc đều với hóa chất trong quá tr ình chiết xuất Chitin-Chitosan. Điều này
làm cho sản phẩm sản xuất ra không đồng nhất về chất l ượng, làm giảm giá trị của
sản phẩm.
- Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị l à phải sấy khô sản phẩm đến độ ẩm d ưới 10%.
Nhưng thực tế với kết cấu máy hiện tại ch ưa thể sấy khô được sản phẩm theo đúng
yêu cầu đề ra.
- Do thiết bị chiết xuất Chitin - Chitosan có dạng lồng ngang Rôto quay. Y êu
cầu của thiết bị là các loại dung dịch hóa chất ở trong l òng Stato của thiết bị không
được tuôn ra ngoài gây lãng phí hóa ch ất và nguy hiểm cho công nhân vận h ành
máy. Nhưng bộ phận làm kín nước không đảm nhận tốt chức năng của m ình cần
phải có hướng khắc phục và hoàn thiện.
- Kết cấu máy chưa vững chắc gây rung động khi hoạt động. Nhất l à khi làm
việc với tốc độ cao.
- Các cánh đảo hơi ngắn không đảm nhận tốt chức năng khuấy đảo của m ình.
Các cánh đảo không vuông góc với tiết diện ngang của Rôto n ên sản phẩm bị dính
vào trong các kẻ giữa cánh đảo và Rôto.
2.2.2.2. Thiết kế mô hình hệ thống thiết bị.
a, Đề xuất mô hình mới.
30
Bộ sinh hàn
31
HCl
Rửa
HCl
NaOH
Rửa
NaOH
Thùng làm
việc chính
Hệ thống xử lý khí thải
H
2
O
Nóng
(80
0
)
Hệ thống
tách
Protein và
xử lý
nước thải
Hình 2-3. Sơ đồ tổng quan hệ thống.
Copyright: Tài liệu đại học ©