Một số vấn đề cần quan tâm khi sản xuất nước đá

Nồng độ tạp chất cho phép

Nước đá có vai trò rất quan trọng trong đời sống và trong công nghiệp. Trong công nghiệp người ta sử dụng nước đá để ướp lạnh bảo quản thực phẩm, rau quả chống hư hỏng. Trong đời sống vai trò nước đá càng quan trọng hơn như phục vụ giải khát, giải trí. Nước đá còn có vai trò quan trọng như tạo sân băng trượt băng nghệ thuật.

Trong công nghiệp chế biến thực phẩm nước đá thường được sử dụng dưới nhiều dạng dạng: đá cây, đá vảy, đá tấm, vv... Chúng đều được sử dụng để ướp đá thực phẩm trong quá trình chế biến.

Chất lượng nước đá chịu tác động của rất nhiều yếu tố: Các thành phần trong nước, phương pháp làm lạnh. Thông thường nước đá được lấy từ mạng nước thuỷ cục, các tạp chất và vi sinh vật trong nước không được vượt quá các giá trị qui định ở các bảng dưới đây.

Hàm lượng tạp chất trong nước đá công nghiệp
TT	Tạp chất	Hàm lượng
1234567	- Số lượng vi khuẩn - Vi khuẩn đường ruột- Chất khô- Độ cứng chung của nước- Độ đục (theo hàm lượng chất lơ lửng)- Hàm lượng sắt- Độ pH	100 con/ml3 con/l01 g/l7 mg/l1,5mg/l0,3mg/l6,5-9,5

Ảnh hưởng của tạp chất đến chất lượng nước đá

Tạp chất hoà tan trong nước làm cho chất lượng và thẩm mỹ của đá bị biến đổi. Các tạp chất có thể tạo ra màu sắc, màu đục không trong suốt. Một số tạp chất làm cho đá dễ bị nứt nẻ. Một số tạp chất tách ra được khi đông đá tạo thành cặn bẫn nằm ở đáy, nhưng một số tạp chất lại không tách ra được trong quá trình đóng băng, có tạp chất khi hoà tan trong nước làm cho đá khó đông hơn, do nhiệt độ đóng băng giảm. Dưới đây là ảnh hưởng của một số tạp chất đến chất lượng đá.

Phân loại nước đá

Có rất nhiều loại nước đá khác nhau tuỳ thuộc vào màu sắc, nguồn nước, hình dáng và mục đích của chúng.

Phân loại theo màu sắc

Theo màu sắc người ta phân ra 03 loại đá: đá đục, đá trong và đá pha lê.

Nước đá đục

Nước đá đục là nước đá có màu đục, không trong suốt, màu sắc như vậy là do có tạp chất ở bên trong. Về chất lượng, nước đá đục không thể sử dụng vào mọi mục đích được mà chỉ sử dụng trong kỹ thuật, công nghiệp nên gọi là nước đá kỹ thuật. Các tạp chất trong nước đá đục có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí

- Các chất khí: ở nhiệt độ 0oC và áp suất khí quyển, nước có khả năng hoà tan khí với hàm lượng đến 29,2 mg/l, tức cỡ 0,03% thể tích. Khi đóng băng các chất khí tách ra tạo thành bọt khí và bị ngậm ở giữa tinh thể đá. Dưới ánh nắng, các bọt khí phản xạ toàn phần nên nhìn không trong suốt và có màu trắng đục.

- Các chất tan và chất rắn: Trong nước thường chứa các muối hoà tan, như muối canxi và muối magiê. Ngoài các muối hoà tan còn có các chất rắn lơ lửng như cát, bùn, đất, chúng lơ lửng ở trong nước. Trong quá trình kết tinh nước đá có xu hướng đẩy các chất tan, tạp chất, cặn bẫn và không khí ra. Quá trình kết tinh thực hiện từ ngoài vào trong nên càng vào trong tạp chất càng nhiều. Sau khi toàn bộ khối đã được kết tinh, các tạp chất, cặn bẫn thường bị ngậm lại ở tâm của khối đá. Các tạp chất này làm cho cây đá không trong suốt mà có màu trắng đục.

Nước đá trong

Nước đá trong là nước đá trong suốt, dưới tác dụng của các tia sáng phản xạ màu xanh phớt. Để có nước trong suốt cần loại bỏ các chất tan, huyền phù và khí trong nước. Vì vậy khi tan không để lại chất lắng.

Có thể loại bỏ các tạp chất ngay trong quá trình kết tinh của đá bằng cách vớt bỏ tạp chất nổi trên bề mặt đá khi kết tinh, tránh cho không bị ngậm giữa các lớp tinh thể.

Để sản xuất đá trong bắt buộc phải sử dụng nguồn nước chất lượng tốt thoả mãn các điều kiện nêu trong bảng 3-3.

Khi chất lượng nước không tốt, để tạo ra đá trong có thể thực hiện bằng cách:

- Cho nước luân chuyển mạnh, nâng cao nhiệt độ đóng băng lên -6đến -8oC, có thể thực hiện làm sạch bằng cách kết tinh chậm ở -2 đến -4oC.

- Làm mềm nước: tách cacbônat canxi, magiê, sắt, nhôm bằng vôi sống. Ví dụ tách Ca+ như sau:

Ca(OH)2 + Ca(CHO3)2 = 2CaCO3 + 2H2O

Trong quá trình tách các thành phần này các chất hữu cơ lơ lửng trong nước cũng đọng lại với các hợp chất cacbônat. Quá trình tách các hợp chất cacbônat kết tủa có thể thực hiện bằng cách lọc.

Hàm lượng cho phép của các chất trong nước

Sử dụng vôi sống không khử được iôn sắt nên thường cho ngậm khí trước lúc lọc, iôn sắt kết hợp CO2 tạo kết tủa dễ dàng lọc để loại bỏ.

Có thể lọc nước bằng cát thạch anh hay bằng nhôm sunfat. Phương pháp này không những đảm bảo làm mềm nước, tích tụ các hợp chất hữu cơ và vôi mà còn chuyển hoá bicacbonat thành sunfat, làm giảm độ dòn của đá. Vì thế có thể hạ nhiệt độ cây đá xuống thấp mà không sợ bị nứt.

Nước đá pha lê

Khi nước được sử dụng để làm đá được khử muối và khí hoàn toàn thì đá tạo ra là đá pha lê. Đá pha lê trong suốt từ ngoài vào tâm và khi tan không để lại cặn bẫn. Nước đá pha lê có thể được sản xuất từ nước cất, nhưng như vậy giá thành sản phẩm quá cao. Nước đá pha lê khi xay nhỏ ít bị dính nên rất được ưa chuộng.

Nước đá pha lê có thể sản xuất ở các máy sản xuất đá nhỏ nhưng phải đảm bảo tốc độ trên bề mặt đóng băng lớn và khử muối sạch.

Khối lượng riêng của đá pha lê cỡ 910 đến 920 kg/m3.

Phân loại theo hình dạng

Theo hình dạng có thể phân ra nhiều loại đá khác nhau như sau:

- Máy đá cây: đá cây có dạng khối hộp, để thuận lợi cho việc lấy cây đá ra khỏi khuôn ít khi người ta sản xuất dưới dạng khối hộp chữ nhật mà dưới dạng chóp phía đáy thường nhỏ hơn phía miệng. Đá cây được kết đông trong các khuôn đá thường có các cỡ sau: 5; 12,5 ; 24; 50 ; 100; 150 ; 200; 300 kg. Khi rót nước vào khuôn, chỉ nên duy trì nước chiếm khoảng 90% dung tích khuôn, như vậy dung tích thực sự của khuôn lớn hơn dung tích danh định khoảng 10%. Sở dỉ như vậy là vì khuôn phải dự phòng cho sự giãn nở của đá khi đông và nước trong khuôn phải đảm bảo chìm hoàn toàn trong nước muối. Máy đá cây có thời gian đông đá tương đối dài vì khi đông đá, các lớp đá mới tạo thành là lớp dẫn nhiệt kém nên hạn chế truyền nhiệt vào bên trong. Ví dụ máy đá với khuôn 50 kg có thời gian đông đá khoảng 18 giờ.

Đá cây được sử dụng trong sinh hoạt để phục vụ giải khát, trong công nghiệp và đời sống để bảo quản thực phẩm. Hiện nay một số lượng lớn đá cây được sử dụng cho ngư dân bảo quản cá khi đánh bắt xa bờ và lâu ngày. Hiện nay ở nước ta người dân vẫn quen sử dụng đá cây để cho giải khát với số lượng khá lớn.

- Máy đá tấm: Có dạng hình tấm được sản xuất bằng cách phun nước lên bề mặt dàn lạnh dạng tấm. Kích cỡ của đá tấm: dài từ 3 đến 6 m, cao 2 đến 3 m, dày 250đến 300mm. Khối lượng từ 1,5 đến 2,5 tấn.

- Máy đá vảy: Máy đá vảy có dạng không tiêu chuẩn, được cắt tách ra khỏi bề mặt tạo đá của các thiết bị và gảy vỡ dước dạng các mãnh vỡ nhỏ.

Máy đá vảy được sản xuất nhờ các cối đá dạng hình trụ tròn. Nước được phun lên bên trong hình trụ và được làm lạnh và đóng băng trên bề mặt trụ. Trụ tạo băng có 2 lớp, ở giữa là môi chất lạnh.

Đá vảy được sử dụng phổ biến trong các nhà máy chế biến, đặc biệt ở các nhà máy chế biến thực phẩm và thuỷ sản. Chúng được sử dụng để bảo quản thực phẩm khi nhập hàng và trong quá trình chế biến. Ngày nay nó đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn, bắt buộc phải có ở các xí nghiệp đông lạnh, vì chỉ có sử dụng đá vảy mới đảm bảo yêu cầu vệ sinh. Ngoài ra đá vảy cũng có rất nhiều ưu điểm khác như giá thành rẻ, chi phí vận hành, đầu tư nhỏ.

Nước đá vảy có chiều dày rất khác nhau từ 0,5 đến 5mm tuỳ thuộc vào thời gian làm đá. Độ dày này có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi tốc độ quay của cối đá hoặc dao cắt đá.

- Máy đá viên (máy đá dạng ống): Nước đá có dạng các đoạn hình trụ rỗng được sản xuất trong các ống phi57 x 3,5 và phi38 x 3mm, nên đường kính của viên đá là phi50 và phi32. Khi sản xuất đá tạo thành trụ dài, nhưng được cắt nhỏ thành những đoạn từ 30đến 100mm nhờ dao cắt đá. Máy đá viên được sử dụng khá phổ biến trong đời sống, hiện nay nhiều quán giải khát, quán cà phê có sử dụng đá viên.

- Máy đá tuyết: Đá sản xuất ra có dạng xốp như tuyết.

Đá tuyết có thể được ép lại thành viên kích thước phù hợp yêu cầu sử dụng.

Phân loại theo nguồn nước sản xuất đá

Theo nguồn nước sử dụng làm đá thì có hai loại máy: Làm đá từ nước ngọt và nước mặn

- Đá nước ngọt được sử dụng trong nhiều mục ích khác nhau: Bảo quản thực phẩm, giải khát, sinh hoạt.

- Đá nước mặn sử dụng bảo quản thực phẩm, đặc biệt sử dụng bảo quản cá khi đánh bắt xa bờ. Nguyên liệu sản xuất đá là nước biển có độ mặn cao. Nhiệt độ đông đặc khá thấp nên chất lượng bảo quản tốt và thời gian bảo quản có thể kéo dài hơn. Để sản xuất đá mặn nhất thiết phải sử dụng phương pháp làm lạnh trực tiếp, vì thế hạn chế tổn thất nhiệt năng.

Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số hệ thống lạnh máy đá được sử dụng phổ biến trong đời sống và công nghiệp.

Hệ thống máy đá cây

Phương pháp sản xuất đá cây là một trong những phương pháp cổ điển nhất. Đá cây được sản xuất trong các Bú dung dịch muối lạnh, có nhiệt độ khoảng –10oC. Nước được đặt trong các khuôn có kích thước nhất định, theo yêu cầu sử dụng. Khối lượng thường gặp nhất của các cây đá là 12,5; 25; 50 kg. Ưu điểm của phương pháp sản xuất đá cây là đơn giản, Dụ thực hiện, đá có khối lượng lớn nên vận chuyển bảo quản được lâu ngày, đặc biệt dùng cho việc bảo quản cá, thực phẩm khi vận chuyển đi xa. Ngoài ra đá cây cũng được sử dụng làm đá sinh hoạt và giải khát của nhân dân.

Tuy nhiên, đá cây có một số nhược điểm quan trọng như: chi phí đầu tư, vận hành lớn, các chỉ tiêu Vũ Vử sinh không cao do có nhiều khâu không đảm bảo Vử sinh, tính chủ động trong sản xuất thấp do thời gian đông đá lâu. Đi kèm theo Hử thống máy đá cây phải trang Bỵ thêm nhiều Hử thống thiết Bỵ khác như: Hử thống cẩu chuyển, Hử thống cấp nước khuôn đá, Bú nhúng đá, bàn lật đá, kho chứa đá, máy xay đá. Vì vậy ngày nay trong kỹ thuật chế biến thực phẩm người ta ít sử dụng đá cây. Nếu có trang Bỵ cũng chỉ nhằm bán cho tàu thuyền đánh cá để bảo quản lâu ngày.

Do khối đá lớn nên sản xuất đá cây thường có thời gian làm đá khá lâu từ 17 đến 20 tiếng, vì vậy để giảm thời gian làm đá người ta có các biện pháp sau:

- Làm lạnh sơ bộ nước trước khi cho vào khuôn đá.

- Bỏ phần lỏi chưa đóng băng, phần nước có nhiều muối hoà tan. Với phương pháp này thời gian làm đông đá giảm 40-50%.

- Giảm nhiệt độ nước muối xuống –15oC, thời gian giảm 25%, nhưng chi phí điện năng lớn.

Một trong những điểm khác của sản xuất đá cây, là để lấy đá ra khỏi khuôn cần phải nhúng trong Bú nước cho tan một phần đá mới có thể lấy ra được. Để làm tan đá có thể lấy nước nóng từ thiết Bỵ ngưng tụ. Do phải làm tan đá nên có tổn thất một phần lạnh nhất định.

Thiết Bỵ quan trọng nhất của Hử thống máy đá cây là Bú muối. Thông thường Bú muối được xây dựng từ gạch thẻ và có lớp cách nhiệt dày 200mm, bên trong Bú là Hử thống khung đỡ các linh đá, dàn lạnh. Đại bộ phận các thiết Bỵ trong Bú đá là thép nên quá trình ăn mòn tương đối mạnh, sau một thời gian làm việc nhất định nước muối đã nhuộm màu vàng của Rứ sắt, chất lượng Vử sinh không cao.

Trong khi sản xuất nhớ chú ý nước vào khuôn chỉ chiếm khoảng 9/10 thể tích, để khi làm lạnh nước giãn nở và không thể tràn ra Bú, làm giảm nồng độ muối, ảnh hưởng tới nhiệt độ đông đặc của nước đá trong Bú.

Sản xuất đá cây không thể thực hiện liên tục và tự động hoá cao được, do các khâu ra đá, cấp nước cho các khuôn đá, chiếm thời gian khá lâu và khó tự động. Hệ thống còn có nhiều khâu phải làm bằng tay như vào nước, ra đá, vận chuyển, bốc xếp đá, xay đá.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy đá cây

Trên hình 3-1 là sơ đồ nguyên lý của Hử thống lạnh máy đá cây được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Hệ thống có các thiết Bỵ chính sau:

Máy nén: Máy nén 1 cấp, sử dụng môi chất NH3 hoặc R22.

2. Bình chứa cao áp.

3. Dàn ngưng: Có thể sử dụng dàn ngưng tụ bay hơi, bình ngưng, dàn ngưng tụ kiểu tưới và có thể sử dụng dàn ngưng không khí.

4. Bình tách dầu.

5. Bình tách khí không ngưng.

6. Bình thu hồi dầu (sử dụng trong hệ thống NH3).

7. Bình tách lỏng.

8. Bình giữ mức- tách lỏng.

9. Bể nước muối làm đá, cùng bộ cánh khuấy và dàn lạnh kiểu xương cá.

Trong hệ thống lạnh máy đá có 2 thiết bị có thể coi là đặc thù của hệ thống. Đó là dàn lạnh xương cá và bình giữ mức – tách lỏng.

Đặc điểm hệ thống máy đá cây

Ưu điểm:

- Vì có dạng khối lớn nên có khả năng tích trữ lâu, rất tiện lớn cho việc vận chuyển đi xa và dùng bảo quản thực phẩm lâu ngày.

- Dễ dàng chế tạo, các thiết bị của hệ thống có thể chế tạo trong nước, không đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt.

Nhược điểm:

- Chi phí vận hành lớn: Chi phí nhân công vận hành, vào nước, ra đá, vận chuyển đá, xay đá, chi phí điện năng (mô tơ khuấy, cẩu đá, máy xay đá)

- Chi phí đầu tư lớn: Bể đá, cẩu đá, bể nhúng nước, bàn lật, hệ thống cấp vào nước khuôn đá, kho bảo quản đá, máy xay đá vv...

- Thời gian làm đá lâu nên không chủ động sản xuất và chế biến.

- Khi xuất đá thì đá ra hàng loạt nên cần kho bảo quản.

- Không bảo đảm vệ sinh: Bể muối và khâu xay đá.

- Tổn thất nhiệt lớn: Quá trình từ sản xuất đên sử dụng qua rất nhiều khâu nên tổn thất nhiệt lớn, ngoài ra khi xay đá và nhúng khuôn đá còn gây ra mất mát cơ học.

Do có nhiều nhược điểm như vậy nên hiện nay người ta ít sử dụng máy đá cây trong để chế biến thực phẩm, mà chủ yếu sản xuất để bán cho ngư dân đánh cá và cho sinh hoạt. Đối với các xí nghiệp chế biến thuỷ sản một trong những điều kiện để được cấp code EU nhập hàng vào các nước E.U thì phải sử dụng đá vảy để chế biến.

Kết cấu bể đá

Hình 3-5 giới thiệu kết cấu của một bể đá. Bể đá được chia thành 2 hoặc 3 ngăn, trong đó có 01 ngăn để đặt dàn lạnh, các ngăn còn lại đặt các khuôn đá. Bể có 01 bộ cánh khuấy, bố trí thẳng đứng hay nằm ngang tuỳ ý. Bố trí thẳng đứng tiện lợi hơn, tránh rò rỉ nước muối ra bên ngoài nên hay được lựa chọn. Các khuôn đá được ghép lại thành các linh đá. Mỗi linh đá có từ 5 đến 7 khuôn đá hoặc lớn hơn. Có nhiều cách bố trí linh đá, các linh đá bố trí cố định hoặc có thể di chuyển dồn đến hai đầu nhờ hệ thống xích. Khi bố trí như vậy rất tiện lợi khi cẩu linh đá ra ngoài.

Bên trên bể đá có bố trí hệ thống cần trục và cẩu để cẩu các linh đá lên khỏi bể, đem nhúng vào bể nước để tách đá, sau đó đặt lên bàn để lật đá xuống sàn. Trên bể nhúng người ta bố trí hệ thống vòi cung cấp nước để nạp nước vào các khuôn sau khi đã ra đá. Việc cung cấp nước cho các khuôn đã được định lượng trước để khi cấp nước chỉ chiếm khoảng 90% thể tích khuôn.

Nước muối thường sử dụng là Nacl hoặc CaCl2 và đôi khi người ta sử dụng cả MgCl2.

Bể muối được xây bằng gạch thẻ và bên trong người ta tiến hành bọc cách nhiệt và trong cùng là lớp thép tấm. Cấu tạo cách nhiệt bể muối được dẫn ra ở các bảng dưới đây:

Kết cấu cách nhiệt tường

Trên hình 3-2 mô tả kết cấu của tường bể đá, đặc điểm các lớp mô tả trên bảng 3-4.

Kết cấu cách nhiệt nền

Trên hình 3-3 mô tả kết cấu chi tiết các lớp kết cấu của nền bể đá, đặc điểm của các lớp chỉ ra trên bảng 3-5.

Kết cấu nắp bể đá

Để tiện lợi cho việc ra vào đá, nắp bể đá được đậy bằng các tấm đanh gỗ dày 30mm, lamda=0,2 W/m.K, trên cùng phủ thêm lớp vải bạt. Do đó tổn thất nhiệt ở nắp bể khá lớn.

Xác định chiều dày cách nhiệt và kiểm tra đọng sương tường bể đá

Chiều dày cách nhiệt bể đá

Chiều dày của lớp cách nhiệt được xác định theo phương trình:

k - Hệ số truyền nhiệt của bể đá, W/m2.K. Hệ số truyền nhiệt k được xác định trên cơ sở tính toán kinh kế - kỹ thuật. Có thể lấy hệ số truyền nhiệt k tương đương hệ số truyền k của kho lạnh.

alpha1 - Hệ số toả nhiệt bên ngoài bể đá, từ không khí lên tường bể muối, W/m2.K

alpha2 - Hệ số toả nhiệt bên trong bể đá, toả nhiệt khi nước muối chuyển động ngang qua vách đứng, W/m2.K

rôi - Chiều dày của các lớp còn lại của tường bể đá, mm(xem bảng 3-4).

lamdai – Hệ số dẫn nhiệt của các lớp còn lại, W/m.K.

Kiểm tra điều kiện đọng sương

Sau khi xác định được chiều dày cách nhiệt, tiến hành chọn chiều dày theo các kích cỡ tiêu chuẩn. Chiều dày tiêu chuẩn của các lớp cách nhiệt là 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175 và 200mm.

Sau khi chọn chiều dày cách nhiệt theo các bề dày tiêu chuần, phải xác định hệ số truyền nhiệt thực của tường theo kích thước lựa chọn để từ đó xác định xem có khả năng đọng sương không và làm cơ sở tính toán tổn thất do truyền nhiệt:

Để không đọng sương trên bề mặt bên ngoài bể đá, hệ số truyền nhiệt thực phải thoả mãn điều kiện sau:

trong đó:

t1 - Nhiệt độ không khí bên ngoài tường. oC

t2- Nhiệt độ nước muối trong bể, oC

tS - Nhiệt độ đọng sương ứng với trạng thái không khí bên ngoài tường, oC

Xác định kích thước bể đá

Để xác định kích thước bể đá phải căn cứ vào số lượng, kích thước của cây đá, linh đá (tổ hợp từ 5đến 7 khuôn đá), dàn lạnh và cách bố trí dàn lạnh, loại khuôn đá, hệ thống tuần hoàn nước muối bên trong bể.

Xác định số lượng và kích thước khuôn đá

Số lượng khuôn đá được xác định dựa vào năng suất bể đá và khối lượng cây đá:

trong đó:

M – Khối lượng đá trong bể ứng với một mẻ, kg

Khối lượng đá trong bể đúng bằng năng suất của bể đá trong một ngày. Vì trong một ngày người ta chỉ chạy được 01 mẻ (hết 18 giờ), thời gian còn lại dành cho việc ra đá và nạp nước mới cho các khuôn đá.

m - Khối lượng mỗi cây đá, kg

* Cần lưu ý khi tỷ số E/m là số nguyên ta lấy N= E/m, khi tỷ số đó không phải là số nguyên thì lấy phần nguyên của tỷ số đó cộng 1.

Đá cây thường được sản xuất với các loại khuôn và kích thước chuẩn sau đây:

Xác định số lượng và kích thước linh đá

Đối với đại đa số các máy đá công suất lớn từ 5 Tấn/ngày trở lên đều sử dụng khuôn loại 50 kg. Các khuôn đá được bố trí thành các linh đá, mỗi linh đá có từ 5 đến 9 khuôn. Trên hình (3-4) biểu thị cách lắp đặt của một linh đá có 7 khuôn đá, một kiểu hay được sử dụng.