Nghiên cứu thực nghiệm, thiết kế quy trình bóc vỏ tôm tự động

Kỷ yếu kỷ niệm 35 năm thành lập Trường ĐH ng nghiệp Th c ph m T h inh 98 -2017) 229 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM, THIẾT KẾ QUY TRÌNH BÓC VỎ TÔM TỰ ĐỘNG Nguyễn Tấn Ken*, Ngô Trọng Hùng, Trần Quốc Nhiệm Trường Đại học ng nghiệp Th c ph m Thành phố h inh * Email: kennt@cntp.edu.vn Ngày nhận bài: 01/03/2017; Ngày chấp nhận đăng: 30/08/2017 TÓM TẮT Bài báo trình bày các thực nghiệm bóc vỏ tôm để làm cơ sở thiết kế máy bóc vỏ tôm tự động. Máy lột vỏ tôm là thiết bị giúp cho quá trình tách thịt khỏi vỏ tôm diễn ra một cách nhanh chóng, đảm bảo độ sạch và độ dinh dưỡng, nâng cao năng suất chế biến. Từ các kết quả thực nghiệm có được, chúng tôi đã tiến hành thiết kế máy bóc vỏ tôm tự động với qui trình công nghệ khép kín. Từ nguyên liệu đầu vào là tôm đã được bỏ đầu, sau khi ra khỏi máy, tôm được bóc vỏ, và làm sạch. Từ khóa: bóc vỏ tôm tự động, thiết bị tự động. 1. GIỚI THIỆU Với nguồn lực hạn chế, thiếu vốn, cộng với một nguồn cung cấp dồi dào về lao động giá rẻ, các doanh nghiệp chế biến thuỷ sản ở các nước đang phát triển, đặc biệt là ở nước ta thường sử dụng công nghệ bóc vỏ tôm thủ công. Qui trình sản xuất thủ công không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và cho năng suất thấp. Qui trình này cũng dẫn đến việc cần phải trang bị các phụ tùng hỗ trợ cho người công nhân như lưới tóc, găng tay, mặt nạ miệng, áo khoác, ủng cao su làm tăng chi phí phát sinh. Chất lượng tôm thành phẩm cũng rất khác nhau, phụ thuộc vào kỹ năng của người lột vỏ. Ngoài ra, vì phụ thuộc vào việc xử lý của người công nhân nên khả năng tôm thành phẩm bị ô nhiểm luôn tồn tại. Ngày nay, thiết bị tự động có thể lột vỏ tôm lột nhanh hơn và ổn định hơn so với phương pháp thủ công rất nhiều. Nhiều máy bóc vỏ tôm theo các qui trình bóc khác nhau đã được thương mại hóa trên thế giới nhưng giá thành khá đắt. Để giảm giá thành và làm chủ công nghệ chế tạo, nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công thử nghiệm mô hình bóc vỏ tôm tự động. Các thực nghiệm đã chứng tỏ tính hiệu quả của qui trình bóc vỏ tôm của nhóm. Trong bài báo này, nhóm giới thiệu các thực nghiệm bóc vỏ tôm theo các qui trình khác nhau, đồng thời đánh giá các tiêu chuẩn về hình dáng, độ dinh dưỡng, độ sạch, và năng suất của từng qui trình. Qui trình tốt nhất được lựa chọn để chế tạo máy bóc vỏ tôm tự động. 2. THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tượng thực nghiệm Đối tượng thực nghiệm trong bài báo này được sử dụng để lột vỏ là tôm sú. Tôm sú là loài sống ở nơi chất đáy là bùn pha cát với độ sâu từ ven bờ đến 40 m nước và độ mặn 5-34 ‰. Tôm sú có đặc điểm sinh trưởng nhanh, trong 3-4 tháng có thể đạt cỡ bình quân 30-50 gam/con. Tôm trưởng thành tối đa có chiều dài là 220-250 mm. Thịt tôm nhiều xơ, săn chắc [6]. gu n T n n g Trọng ng Tr n uốc hiệm 230 ình Cấu tạo hình thái ngoài của con tôm [7] A/ Phần đầu ngực ( Cephalothorax) B/ Phần bụng ( Abdomen ) 1/ Râu 1 (Antennula ) 8/ Chủy (Rostrum) 2/ Vảy râu (Antennal scale ) 9/ Mắt (Eye) 3/ Chân hàm III (Maxilliped III ) 10/ Giáp đầu ngực (Carapace) 4/ Râu II (Antenna ) 11/ Đốt bụng 1 (1st Abdominal segment) 5/ Chân ngực (Periopod) 12/ Đốt bụng 6 (6th Abdominal segment) 6/ Chân bụng (Pleopod) 13/ Gai đuôi , đốt đuôi (Telson) 7/ Chân đuôi (Uropod) 2.2. Mô tả thực nghiệm Tôm được sử dụng để lột vỏ cần đạt một số tiêu chuẩn: - Vỏ nguyên vẹn, cứng và sáng bóng, màu sắc đặc trưng. - Đầu dính chặt với mình, chân và đuôi còn đẩy đủ nguyên vẹn. - Tôm không ôm trứng, không dính quá nhiều rong rêu, không bị bệnh. - Tôm không bị đốm đen. - Tôm được giữ lạnh sau khi đánh bắt. Quy trình lột vỏ tôm: Các bước lột vỏ tôm của các thực nghiệm thực hiện trong nội dung nghiên cứu này được mô tả cụ thể như Hình 2 [4,5,7]. Tiêu chuẩn so sánh: Các tiêu chuẩn (TC) mà nhóm tác giả dùng để đánh giá các thực nghiệm mô tả trong Bảng 1. Để có được các tiêu chuẩn đánh giá này nhóm đã trao đổi và tham khảo ý kiến đóng góp từ các doanh nghiệp chế biến tôm xuất khẩu trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. Chi tiết các tiêu chuẩn đánh giá như sau: - TC1: Đảm bảo vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm (HACCP), giá trị dinh dưỡng đạt khoảng 90%, trọng lượng tôm hao hụt trong khoảng 2-5%, có khả năng sản xuất theo dây chuyền khép kín, năng suất cao, tùy chọn hình dáng tôm theo yêu cầu. - TC2: Đảm bảo vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm, giá trị dinh dưỡng đạt khoảng 90%, có khả năng sản xuất theo dây chuyền khép kín, năng suất cao. - TC3: Đảm bảo vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm, giá trị dinh dưỡng đạt khoảng 90%, dễ chế tạo, chi phí thấp. - TC4: Trọng lượng tôm hao hụt trong khoảng 2-5%, không phải đầu tư nhiều, chi phí thấp. ghiên cứu th c nghiệm, thiết kế qu trình bóc vỏ t m t động 231 ình Quy trình lột vỏ tôm Bảng 1. Các tiêu chuẩn đánh giá của thực nghiệm Tiêu chuẩn khảo sát Quy chuẩn HACCP Hình dáng Giá trị dinh dưỡng Trọng lượng tôm Tính Công nghệ Năng suất Tính kinh tế TC1 TC2 TC3 TC4 Ghi chú: Khả năng đáp ứng ở mức độ 5 (tốt nhất) Khả năng đáp ứng ở mức độ 4 Khả năng đáp ứng ở mức độ 3 Khả năng đáp ứng ở mức độ 2 Khả năng đáp ứng ở mức độ 1 (kém nhất) Xếp vào khay Bóc vỏ Xử lý hình dáng, lấy chỉ lưng Làm sạch (Rửa bằng nước sạch) Tôm nguyên liệu (Tôm đông lạnh 1-4 ºC) Rửa sạch (Rửa bằng nước sạch) Tôm được xử lý bỏ đầu Phân loại Tôm lột vỏ thành phẩm gu n T n n g Trọng ng Tr n uốc hiệm 232 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả thực nghiệm Chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm bóc vỏ theo 4 phương pháp khác nhau. Kết quả của từng thực nghiệm đã được nhóm và công ty chế biến (Công Ty CP Chế Biến Thủy Sản XNK Kiên Cường) đánh giá theo các tiêu chuẩn khác nhau như hình dáng, độ sạch, độ dinh dưỡng, tính công nghệ, qui chuẩn HACCP, và năng suất. Thí nghiệm 1: - Thí nghiệm này được thực hiện theo phương án 1. Các công đoạn đươc xử lý thủ công dựa trên kỹ năng của người công nhân. - Tổng khối lượng tôm sau khi thực hiện các công đoạn chung, được sử dụng là 5kg, môi trường làm việc có nhiệt độ trung bình là 25 oC. - Các bước tiến hành thí nghiệm như Hình 3. ình 3. Các bước tiến hành thí nghiệm 1 ình 4. Biểu đồ đánh giá thí nghiệm 1 Thí nghiệm 2 - Thí nghiệm này được thực hiện theo phương án 2. Các công đoạn được xử lý thông qua công nghệ máy móc thô sơ. - Tổng khối lượng tôm sau khi thực hiện các công đoạn chung, được sử dụng là 5 kg, môi trường làm việc có nhiệt độ trung bình là 25 ºC. ình 5 Nguyên lý tiến hành thí nghiệm 2 ghiên cứu th c nghiệm, thiết kế qu trình bóc vỏ t m t động 233 - Nguyên lý tiến hành thí nghiệm: Máy hoạt động dựa trên lực ép tạo ra bởi hai bánh xe 3 và 7 đặt sát nhau, được gắn trên hai trục 4, 6 quay ngược chiều nhau. Khi tôm được đưa vào máy tại vị trí máng 2 (tôm đã được bỏ đầu, xẻ lưng và cho phần đuôi vào trước) nhờ vào lực ép phần thịt của tôm sẽ bị ép cưỡng bức tách khỏi phần vỏ tại vị trí 8, phần vỏ 1 sẽ được cuốn qua vị trí 5. ình 6. Biểu đồ đánh giá thí nghiệm 2 Thí nghiệm 3 - Thí nghiệm này được thực hiện theo phương án 3, các công đoạn được xử lý thông qua các cặp con lăn phức tạp. - Tổng khối lượng tôm sau khi thực hiện các công đoạn chung, được sử dụng là 5kg, môi trường làm việc có nhiệt độ trung bình là 25 oC. ình 7. Nguyên lý tiến hành thí nghiệm 3 ình 8. Biểu đồ đánh giá thí nghiệm 3 - Nguyên lý tiến hành thí nghiệm: Tương tự như nguyên lý ở Hình 5. Tôm cắt bỏ đầu, đưa vào hệ thống con lăn được đặt nghiên góc 30º. Ở mỗi vị trí tiếp xúc giữa một cặp con lăn thì tôm sẽ được bóc đi một phần vỏ. Thí nghiệm 4 - Thí nghiệm này được thực hiện theo phương án 4. Các công đoạn được xử lý thông qua công nghệ máy móc công nghệ mới. - Tổng khối lượng tôm sau khi thực hiện các công đoạn chung, được sử dụng là 5kg, môi trường làm việc có nhiệt độ trung bình là 25 oC. - Nguyên lý tiến hành thí nghiệm như sau: Cho tôm đã được cắt bỏ đầu vào vị trí nạp liệu, Tôm được gu n T n n g Trọng ng Tr n uốc hiệm 234 kẹp chặt và đè dẹp con tôm xuống khi tôm đi từ vị trí nạp liệu sang vị trí 3. Tại vị trí 4, tôm sẽ được xẻ một đường ở trên lưng. Tại vị trí 5, tôm sẽ được loại bỏ sợi chỉ (ruột tôm) bởi chổi quét quay tròn. Tại vị trí 6, tôm sẽ được tách thịt khỏi vỏ. Tại vị trí 7, bộ phận kẹp tôm sẽ nhả vỏ ra và được làm sạch để bắt đầu một chu trình hoạt động mới. Máy sẽ tự động lột vỏ và khi ra khỏi máy thì tôm được tách thịt khỏi vỏ. ình 9. Nguyên lý tiến hành thí nghiệm 4 [7] ình 0. Biểu đồ đánh giá thí nghiệm 4 ình 11. Biểu đồ so sánh mức độ đáp ứng quy chuẩn đánh giá của thực nghiệm 3.2. Thảo luận Ở thí nghiệm 1, trên Hình 4 cho ta thấy tiêu chuẩn về hình dáng và trọng lượng tôm thành phẩm rất tốt nhưng ngược lại các tiêu chuẩn còn lại đều ở mức thấp. Trong thí nghiệm 2, Hình 6 thì các tiêu chuẩn đều ở mức trung bình nên không đáp ứng được yêu cầu an toàn vệ sinh và nhu cầu sản xuất. Ở hai thí nghiệm còn lại thì chúng ta cũng có thể thấy được mức độ đáp ứng của các tiêu chuẩn đều cao, nhưng xét về tính kinh tế thì nguyên lý máy bóc vỏ tôm tự động ở thí nghiệm 3 thì không khả thi vì phải đầu tư chi phí cho các khâu xử lý khác nhiều. Trong khi đó thí nghiệm 4, biểu đồ hình 10 cho thấy mức độ đáp ứng cao đều và đường đáp tương đối nhẵn. Như vậy, qua thực nghiệm nhóm nghiên cứu đã chọn và thiết kế quy trình bóc vỏ tự động theo nguyên lý ở thí nghiệm 4. 3.3. Mô hình thử nghiệm Từ kết quả thực nghiệm về các nguyên lý ở trên, mô hình thực tế được chế tạo. Để kiểm tra khả năng đáp ứng công nghệ máy móc hiện đại hóa trong việc bóc vỏ tôm tự động mang lại hiệu quả cao về an toàn vệ sinh thực phẩm, và năng lực sản xuất của mô hình, kết cấu thực nghiệm được xây dựng như trong Hình 12. ghiên cứu th c nghiệm, thiết kế qu trình bóc vỏ t m t động 235 Kết cấu mô phỏng được thể hiện chi tiết như Hình 12a. Trong đó, các vị trí xử lý từng công đoạn cụ thể là: 1. Khung, 2. Bộ băng tải, 3. Cụm làm sạch, 4. Cụm cắt, 5. Đĩa tải, 6. Cụm lấy chỉ, 7. Cụm kẹp, 8. Động cơ chính, 9. Cụm bóc vỏ. Nguyên lý làm việc của kết cấu mô phỏng (Hình 12b) được tiến hành theo bảy bước như sau: Bước 1: Cấp tôm nguyên liệu vào khay chứa 1. Bước 2: Cơ cấu kẹp 7 đu ược gắn trên mâm quay 8, di chuyển tới gắp lấy đuôi tôm từ khay chứa để bắt đầu chu trình tách vỏ. ình . Kết cấu mô phỏng: a) Hình mô phỏng trên phần mềm , b) Nguyên lý làm việc của mô phỏng Bước 3: Khi cơ cấu 7 di chuyển tới cơ cấu 2. Tại đây tôm được định vị, kẹp chặt và ép. Bước này tôm sẻ được kẹp chặt ở phần thân. Sau đó tôm sẻ bị ép để làm cho thịt và vỏ tôm đỡ dính vào nhau hơn. Bước 4: Cơ cấu 7 tiếp tục di chuyển tới vị trí 3 là cơ cấu xẻ lưng tạo hình, tại đây tôm sẽ được cơ cấu dao cắt tự động xẻ một đường giữa lưng. Bước 5: Tại vị trí 4 cơ cấu chổi quét quay tròn sẽ lấy chỉ tôm ra khỏi thân tôm (lấy ruột tôm). Bước 6: Cơ cấu kim móc được đặt tại vị trí 5, cơ cấu 5 sẽ móc lấy phần thịt tôm trên cơ cấu 7 thả xuống khay đựng thịt tôm. Bước 7: Cuối hành trình cơ cấu kẹp 7 được làm sạch nhờ cơ cấu chổi quét 6, tại đây vỏ tôm được nhả xuống khay chứa vỏ. ình 3. Mô hình thực tế Nhóm tác giả đã tiến hành kiểm chứng lại trên mô hình thực tế như Hình 13 với thí nghiệm lột vỏ tôm bằng tay, kết quả như Hình 14, 15. ình 4. Hình ảnh thực kết quả quá trình lột vỏ tôm bằng tay và bằng máy (lột giữ đuôi) a b gu n T n n g Trọng ng Tr n uốc hiệm 236 ình 5 Hình ảnh thực kết quả quá trình lột vỏ tôm bằng tay và bằng máy (lột bỏ đuôi) Bảng 2. Kết quả kiểm chứng chạy trên mô hình thực tế và lột bằng tay Tiêu chuẩn khảo sát Phương pháp khảo sát Độ sạch vỏ (%) Độ tươi thịt tôm (%) Tỉ lệ phế phẩm (%) Trọng lượng tôm (kg/Lần) Năng suất (kg/giờ) Trước lột Sau lột Lột vỏ tôm thủ công (bằng tay) 90,5 85 9,8 5,0 3,51 5,8 Lột vỏ tôm tự động (mô hình thực tế) 97,2 95,5 5,5 5,0 3,725 12,3 Trọng lượng t m khảo sát: 30 g/con ình 6. So sánh kết quả khảo sát thực tế trên hai phương án lột vỏ tôm. Dựa trên biểu đồ so sánh mức độ đáp ứng quy chuẩn đánh giá của thực nghiệm Hình 11 và các kết quả khảo sát thực tế Hình 16 và Bảng 2, chúng ta có thể nhận thấy rằng chế biến thủ công, dựa trên sức người đang được sử dụng hầu hết ở các nhà máy thủy hải sản hiện nay, cho năng suất không cao, chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào khả năng của người công nhân, chi phí sản xuất lớn, giảm khả năng cạnh tranh cho sản phẩm trên thị trường. Do đó việc ứng dụng khoa học công nghệ trong chế biến thủy sản là yêu cầu cần thiết. Máy bóc vỏ tôm có ý nghĩa rất lớn đối với nghành thực phẩm liên quan đến tôm. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, một nguyên lý dây chuyền bóc vỏ tôm tự động tối ưu được đề xuất. Thiết kế, chế tạo thực nghiệm đã được thực hiện và tính hiệu quả đã được minh chứng bước đầu thông qua các số liệu thực nghiệm. Một dây chuyền tự động bóc vỏ tôm với khả năng xử lý nhanh gọn được thực hiện bởi các khâu độc lập và được kiểm soát chặt chẽ thông qua các thiết bị phản hồi. Từ nghiên cứu ban đầu này, nhóm đã xây dựng hoàn thiện dây chuyền sản xuất tự động khép kín từ khâu nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm cuối cùng, với khả năng đáp ứng tối đa về các tiêu chuẩn về an toàn vệ sinh thực phẩm, dinh dưỡng, hình dáng, và năng suất cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Apparatus for peeling shrimp James M. Lapeyre, New Orleans, La., assignor to Peeler – 1949. 2. Feasibility study for a shrimp processing Line - Corey Kuhar, Linda Lin, Erik Matthia – NC State University. ghiên cứu th c nghiệm, thiết kế qu trình bóc vỏ t m t động 237 3. Laitram Corporation, New Orleans, La., a corporation of Louisianan – 2005. 4. Laitram machinery - Brent Ledet & Lasse Simonsen – 2012. 5. Machine Vision By Murat O. Balaban & Asli Z. Odabasi. 6. Processing shrimp peeling - Beth A. Dancy – 2010. 7. ww.jonsson.com đảm bảo dinh dưỡng, và vệ sinh an toàn thực phẩm. ABSTRACT STUDY AND DEVELOPMENT FOR THE AUTOMATIC PROCESS OF PEELING SHRIMP IN EDUCATION AND PRODUCTION Nguyen Tấn Ken, Ngô Trọng Hùng, Trần Quốc Nhiệm Ho Chi Minh City University of Food Industry * Email: kennt@cntp.edu.vn This paper presents the process of automatic shrimp peeling machine. Shrimp peeling machine is a device to help separating the meat from the shells of shrimp takes place quickly, efficiently, improve productivity and processing. From the experimental results have been, we have carried out the design and manufacture of peeled shrimp line fully automated closed, from input materials were headless shrimp when out of the machine, shrimp peeled, cleaned. Từ khóa: automatic shrimp peeling, auto mechanics.