Nghiên cứu, thiết kế máy tách hạt ca cao

Nội dung text: Nghiên cứu, thiết kế máy tách hạt ca cao

1. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY TÁCH HẠT CA CAO RESEARCH, DESIGN OF THE COCOA BEANS SEPARATOR MACHINE TS. Văn Hữu Thịnh1a, KS. Nguyễn Thoại Khanh2b 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam. 2Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam. athinhvh@hcmute.edu.vn bthoaikhanhspkt@gmail.com TÓM TẮT Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu, thiết kế máy tách hạt ca cao. Máy tách vỏ ca cao theo chiều dọc thành hai nửa. Trên cơ sở tính toán, tác giả tiến hành mô hình hóa máy tách hạt ca cao trên phần mềm Autodesk Inventor trước khi chế tạo. Công việc tính toán, mô hình hóa máy tách hạt ca cao trên phần mềm sẽ hạn chế được những sai sót trong quá trình gia công, tiết kiệm được thời gian và mang lại hiệu quả cao. Từ khóa: Hạt, Ca cao, Vỏ ca cao, Hạt ca cao, Máy tách ABSTRACT This paper presents the results of the research and design cocoa beans separator machine. The machine splits cocoa pod longitudinally into two halves. Based on calculations, the authors carry out modeling a cocoa beans separator machine on Autodesk Inventor software before fabrication. Computation, modeling a cocoa pod splitting machine on the software will limit the errors in machining processes, save time and bring more high- efficiency. Keywords: Beans, Cocoa, Cocoa Pod, Cocoa Beans, Separator machine 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nước ta có nhiều địa phương trồng ca cao với quy mô lớn cần được chế biến, tiêu thụ để thúc đẩy phát triển sản xuất và xuất khẩu. Các địa phương trồng nhiều ca cao như: Bến Tre, Tiền Giang, Bình Phước, Bà Rịa Vũng Tàu, Đắc Lắc, với sản lượng và số lượng ngày một gia tăng. Sản phẩm từ ca cao như: bơ, bột, rượu và socola là một trong những mặt hàng phổ biến trong đời sống hằng ngày, có giá trị kinh tế cao. Nước uống sản xuất từ ca cao là một trong những thức uống ngày càng được con người sử dụng rộng rãi. Chính vì vậy mà cây ca cao được trồng nhiều nơi ở Việt Nam và trên thế giới. Tuy nhiên trong quá trình chế biến, đa phần hạt ca cao được tách bằng tay gặp nhiều khó khăn, cần số lượng lớn công nhân cho việc tách hạt, thời gian tách hạt kéo dài, dẫn đến tăng giá thành sản phẩm. Vì vậy việc áp dụng cơ khí hóa và tự động hóa vào khâu tách hạt đem lại hiệu quả cao về kinh tế, giải phóng được sức lao động, giảm thời gian để tách hạt ca cao.
2. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu 2.1.1. Tính chất vật lý Trái ca cao có chiều dài 10 – 30 cm, đường kính 7 – 10 cm. Trái có thể cân nặng từ 200 – 1000 g. Tuỳ theo từng loài, hình dạng của trái thay đổi nhiều từ hình cầu, hình dài và nhọn hoặc hình trứng. Màu sắc của trái khá đa dạng, có loại trái màu xanh, loại màu vàng và loại màu đỏ. Khoảng trống Đặc tính của trái ca cao là khi chín thì vỏ không nở bung ra và ít bị rụng khỏi Hạt cây. Mỗi trái ca cao thường chứa 30 – 40 hạt được bao quanh bằng lớp nhầy. Lớp nhầy này có vị hơi ngọt và đó chính là cơ chất cho Cuống quá trình lên men khi ủ hạt. Cấu trúc vật lý của trái ca cao theo chiều dọc được thể hiện Hình 1. Cấu trúc vật lý của một trái ca trong Hình 1. cao theo chiều dọc 2.2.2. Thành phần hóa học Ca cao giàu các chất Phytochemical là các chất hoạt động sinh học có trong thực vật được cho là có tác lợi cho sức khỏe con người. Trong hạt ca cao chưa lên men, các sắc tố chiếm từ 11 – 13 % của mô. Các tế bào sắc tố chứa khoảng 65 – 70 % (khối lượng) Polyphenol và 3 % Anthocyanin. Trong quá trình lên men, Polyphenol trải qua các phản ứng khác nhau bao gồm cả quá trình tự cô đặc và phản ứng với Protein và Peptide. Khoảng 20 % (theo khối lượng) Polyphenol còn lại ở cuối quá trình lên men. Hàm lượng Polyphenol sẽ thay đổi tùy loại hạt ca cao và mức độ lên men. [1] Bảng 1. Thành phần cơ bản của ca cao Bảng 2. Thành phần vỏ ca cao Thành phần dinh STT Thành phần Trung bình(%) mg/100g Khoáng chất mg/100g dưỡng 1 Protein 6,25 Protein 18,5 Na 950 2 Chất xơ 27,30 Chất béo 21,7 K 1500 3 Tro 8,10 Carbohydrate 11,5 Ca 130 4 Na 0,01 Năng lượng(Kcal) 312 Mg 520 5 K 3,20 Bảng 3. Thành phần hóa học của hạt sau khi lên men và sấy Thành phần hóa học Mảnh Ca cao nghiền % (tối đa) Vỏ % (tối đa) Nước 3.2 6.6 Chất béo 57 5.9 Tro 4.2 20.7
3. Nitơ 2.5 3.2 Theobromine 1.3 0.9 Caffeine 0.7 0.3 Tinh bột 9 5.2 Chất xơ ở dạng thô 3.2 19.2 (Nguồn: Knight, Chocolate and cocoa [1]) 2.2 Phương pháp tách hạt ca cao 2.2.1 Tách hạt ca cao thủ công Tách hạt ca cao thủ công là cách thức tách hạt hoàn toàn thực hiện thủ công bằng cách sử dụng dao để tách vỏ và sau đó lấy các hạt ca cao từ trên vỏ. - Ưu điểm: dễ thực hiện, dụng cụ đơn giản chỉ cần dao, thớt, bao tay. - Nhược điểm: tốn nhiều thời gian và lao động. (1) (2) (3) Hình 2. Quy trình tách hạt ca cao bằng tay Trái ca cao (1) dùng tay và dụng cụ để tách một phần vỏ (2), sau đó tách hạt ca cao ra khỏi vỏ (3). 2.2.2 Tách hạt ca cao bằng máy Trái ca cao · Quy trình tách hạt ca cao bằng máy Trái ca cao sau khi được nhà vườn thu hoạch và vận chuyển đến các cơ sở sản xuất sẽ được bóc vỏ trước khi đưa vào Bộ phận cấp liệu các khâu chế biến tiếp theo. Qui trình bóc vỏ bằng máy được thực hiện như sau: Bộ phận dẫn ng Trái ca cao được đưa vào bộ phận cấp liệu, bộ phận cấp hướ liệu sẽ đưa phôi đến bộ phận dẫn hướng ca cao rồi đến bộ phận cắt ày s sau đó phôi sẽ được đưa đến bộ phận tách vỏ, bộ phận n ẽ phân Bộ phận cắt loại vỏ ra riêng và thu về sản phẩm hạt. - Ưu điểm: dễ sử dụng, năng suất cao, tiết kiệm sức lao động, rút ngắn thời gian bóc vỏ, có hiệu quả kinh tế. Thành phẩm - Nhược điểm: tốn điện năng để vận hành máy. Hình 3. Quy trình tách hạt ca cao bằng máy
4. · Sơ đồ nguyên lý (1) Phễu (3) bánh dẫn (5) máng hứng (7) máng (2) băng tải (4) dao cắt (6) sàng thùng Trái ca cao được đưa vào phễu (1) được băng tải (2) đưa đến bộ bánh dẫn (3); bộ bánh dẫn được thiết kế gồm 4 bánh xe, mỗi bên hai bánh quay ngược chiều nhau để ép và dẫn hướng ca cao xuống theo chiều dọc. Bộ bánh dẫn đưa trái ca cao qua bộ dao cắt (4). Tại đây vỏ ca cao được cắt ra làm hai theo chiều dọc sau đó rơi xuống máng hứng (5) và được đưa vào bộ phận sàng thùng (6) để phân loại. Trong quá trình phân loại hạt rơi xuống máng (7) còn vỏ thì ra ngoài theo hướng nghiêng của sàng thùng. · Thiết kế máy tách hạt ca cao . Thiết kế cụm dao cắt Vấn đề lưu ý đối với việc thiết kế dao là: - Đảm bảo cắt vỏ ca cao thành hai nửa theo chiều dọc. - Quá trình cắt dao không phạm vào hạt ca cao. - Dao phải đủ sắc bén để quá trình cắt đạt hiệu quả. Dao theo biên dạng đĩa tròn nếu không thiết kế hợp lý sẽ không cắt được phần đầu và cuối của trái ca cao. Thậm chí khi cắt trái ca cao sẽ bị bể, ảnh hưởng đến các trái ca cao tiếp theo và ảnh hưởng đến quá trình sàng tách hạt ca cao. Hình dạng dao và trái ca cao Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy tách hạt ca cao trong quá trình cắt vỏ được thể hiện ở Hình 5. Qua đó cho thấy diện tích lớp cắt của trái ca cao là không đổi chỉ có đường kính dao cắt thay đổi. Thực tế cho thấy, để cắt hết toàn bộ trái ca cao theo chiều dọc thì đường kính dao cắt nhỏ hơn 200mm và dao được bố trí gối đầu. [2] Đường kính 250mm, không gối đầu Đường kính 200mm, không gối đầu Đường kính 250mm, gối đầu 25mm Đường kính 200mm, gối đầu 25mm Hình 5. Các kích thước đường kính dao khi cắt ca cao
5. Hình 6. Sơ đồ truyền động của cụm dao cắt Động cơ giảm tốc quay với tốc độ n = 47,7 vòng/phút qua đĩa xích trung gian z2 =15 răng truyền chuyển động cho dao 1 thông qua tỉ số truyền = , dao 1 sẽ quay với tốc độ n1 = 47,7 vòng/phút, đồng thời dao 2 cũng sẽ quay ngược chiều với dao 1 × × × × thông qua tỉ số truyền = và quay với tốc độ n2 = 47,7 vòng/phút. Trong đó đĩa xích z5 = 15 răng kết hợp với lò xo có tác dụng làm căng xích khi dao cắt dịch ×chuyển× ra× vào ×để cắt× theo biên× dạng× của ×trái ca× cao.× 1. Thép V40x40x4 6. Dao đĩa tròn 2. Trục trung gian 7. Đệm cao su 3. Lò xo 8. Mặt bích 4. Đĩa xích 9. Đế 5. Gối đỡ UCP204 10. Trục dao Hình 7. Cấu tạo cụm dao cắt
6. . Thiết kế cụm bánh dẫn Một hạn chế của máy tách hạt ca cao theo nguyên lý dùng dao đĩa tròn là không cắt được ở hai đầu của trái ca cao. Và điều này hoàn toàn có thể khắc phục theo hai cách: - Sử dụng một thiết bị riêng để cắt hai phần đầu của trái ca cao. - Ép vỏ ca cao theo phương vuông góc với mặt phẳng cắt trái ca cao theo chiều dọc. Hình 8. Sơ đồ hệ thống bánh dẫn Bộ phận dẫn ca cao là bốn bánh dẫn đàn hồi. Độ cứng của bánh dẫn có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi áp suất khí bên trong. Khoảng cách giữa hai cặp bánh dẫn hoàn toàn có thể điều chỉnh được. Động cơ có hộp giảm tốc quay với tốc độ nđc = 47,7 vòng/phút truyền chuyển động cho cặp bánh dẫn 1 thông qua tỉ số truyền quay với tốc độ n1=23,85 vòng/phút. Sau = bánh d đó thông qua đĩa xích trung gian có tỉ số truyền= ẫn 2 sẽ quay với tốc độ n2 = 23,85 vòng/phút ngược chiều với bánh dẫn 1 để ép và dẫn hướng cho ca cao xuống theo chiều dọc. × × Hình 9. Mô hình hóa bộ phận dẫn hướng ca cao 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qua quá trình nghiên cứu, tham khảo tài liệu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy tách hạt ca cao đến nay đề tài đã đạt được các kết quả sau: - Khảo sát được đặc tính cơ bản của trái ca cao (cấu trúc vật lý, đặc tính hóa học.v.v). - Xác định được quy trình bóc vỏ ca cao bằng tay, đề xuất quy trình bóc vỏ bằng máy. - Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế phù hợp. - Thiết kế các chi tiết điển hình của máy. - Chế tạo, lắp ráp máy.
7. Hình 10. Mô hình hóa máy tách hạt ca cao Hình 11. Máy tách hạt ca cao đã chế tạo 4. KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này tác giả đã xây dựng được một mô hình máy cắt vỏ cứng ca cao với năng suất trung bình 2400trái/giờ. Dựa trên nguyên lý cắt dọc vỏ ca cao bằng dao đĩa tròn, với bộ phận dẫn ca cao bằng bốn bánh dẫn máy tách hạt ca cao có thể cắt tách được các trái ca cao với nhiều kích cỡ khác nhau. Kết quả của bài báo là nguồn tư liệu để thực hiện những nghiên cứu trong việc tách vỏ ca cao lấy hạt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Knight, Chocolate and cocoa: Health and nutrition. Blackwell Science, 1999 A. Zumbe, Polyphenols in cocoa: are there health benefits? BNF Nutrition Bulletin Volume 23, pp94-102, Spring 1998D. [2] Yan Diczbalis, Craig Lemin, Nick Richards and Chris Wicks, Producing Cocoa in Northern Australia, Rural Industries Research and Development Corporation, February 2010, [3] A. IA. XOKOLOV, cơ sở thiết kế máy sản xuất thực phẩm, NXB Khoa học Kỹ thuật. THÔNG TIN TÁC GIẢ Họ và Tên: Văn Hữu Thịnh Cơ quan: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Địa chỉ: 1 Võ Văn Ngân, Phường Linh Chiểu, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh Email: thinhvh@hcmute.edu.vn Di động: 0918 025 201 Họ và Tên: Nguyễn Thoại Khanh Cơ quan: Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng Địa chỉ: 65 Huỳnh Thúc Kháng, Phường Bến Nghé, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh Email: thoaikhanhspkt@gmail.com Di động: 0902 923 213
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.