NGHIÊN cứu, THIẾT kế máy TÁCH hạt CA CAO

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY TÁCH HẠT CA CAO
RESEARCH, DESIGN OF THECOCOA BEANS SEPARATOR MACHINE
TS. Văn Hữu Thịnh1a, KS. Nguyễn Thoại Khanh2b
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
2
Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng
a
;
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 highefficiency.
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. Số lượng ca cao
thu được 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 nên 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 để đem lại hiệu quả cao về kinh tế, giải phóng được sức lao động, giảm thời gian
để tách hạt ca cao là điều hết sức cần thiết.
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 – 30cm, đường kính 7 –10cm. Trái có thể cân nặng từ 200 –
1000g. Tuỳ theo từng loài, hình dạng của trái thay đổi nhiều từ hình cầu, hình dài và nhọn
707


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
hoặc hình trứng. Màu sắc của trái khá đa
dạng, có loại trái màu xanh, loại màu vàng
và loại màu đỏ.
Đặc tính của trái ca cao là khi chín thì
vỏ không nở bung ra và ít bị rụng khỏi cây.
Mỗi tráica 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 quá
trình lên men khi ủ hạt. Cấu trúc vật lý của
trái ca cao theo chiều dọc được thể hiện
trong Hình 1.

Khoảng trống

Hạt

Cuống

2.2.2. Thành phần hóa học

Hình 1. Cấu trúc vật lý của một trái ca
Ca cao giàu các chất Phytochemical là
các chất hoạt động sinh học có trong thực
cao theo chiều dọc
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]
Bảng1. Thành phần cơ bản của ca cao
Thành phần
dinh dưỡng

mg/100g

Bảng 2. Thành phần vỏ ca cao

Khoáng
chất

mg/100g

STT Thành ph T Trung bình(%)

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 phhần hóa họ

Mhành phhần hóa học của hạt s

Vhành phhần h

Nước

3.2

6.6

Chất béo

57

5.9

Tro

4.2

20.7

Nitơ

2.5

3.2

Theobromine

1.3

0.9

Caffeine

0.7

0.3

Tinh bột

9

5.2

3.2

19.2

Chất xơ ở dạng thô

(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.
708


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- 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 các khâu
chế biến tiếp theo.
Quy trình bóc vỏ bằng máy được thực hiện như sau:
Trái ca cao được đưa vào bộ phận cấp liệu, bộ phận cấp liệu
sẽ đưa phôi đến bộ phận dẫn hướng ca cao rồi đến bộ phận cắt, sau
đó phôi sẽ được đưa đến bộ phận tách vỏ, bộ phận này sẽ phân loại

vỏ ra riêng và thu về sản phẩm hạt.

Bộ phận cấp liệu
Bộ phận dẫn hướng

Bộ phận cắt

Thành phẩm
- Ưu điểm: dễ sử dụng, năng suất cao, tiết kiệm sức lao
động, rút ngắn thời gian bóc vỏ, có hiệu quả kinh tế.
Hình 3. Quy trình tách
- Nhược điểm: tốn điện năng để vận hành máy.
hạt ca cao bằng máy

• Sơ đồ nguyên lý
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.

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy tách hạt ca cao

• Thiết kế máy tách hạt ca cao

(1) Phễu

(3) bánh dẫn

 Thiết kế cụm dao cắt

(2) băng tải

(4) dao cắt

(5) máng hứng

(7) máng

Vấn đề lưu ý đối với việc thiết kế
dao là:

(6) sàng thùng
709


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

- 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 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 200mm, gối đầu 25mm
Đường kính 250mm, gối đầu 25mm
Hình 5. Các kích thước đường kính dao khi cắt ca cao

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 z 2 =15
𝑧𝑧2
𝑧𝑧3
𝑧𝑧4 15
24
24
răng truyền chuyển động cho dao 1 thông qua tỉ số truyền 𝑧𝑧1 × 𝑧𝑧2 × 𝑧𝑧3= 24 × 15 × 24 , dao 1 sẽ
quay với tốc độ n 1 = 47,7 vòng/phút, đồng thời dao 2 cũng sẽ quay ngược chiều với dao 1
𝑧𝑧2
𝑧𝑧3
𝑧𝑧5
𝑧𝑧6
𝑧𝑧7
𝑧𝑧8

15
24
15
15
24
24
thông qua tỉ số truyền 𝑧𝑧1 × 𝑧𝑧2 × 𝑧𝑧3 × 𝑧𝑧5 × 𝑧𝑧6 × 𝑧𝑧7 = 24 × 15 × 24 × 15 × 15 × 24 và quay với
tốc độ n 2 = 47,7 vòng/phút. Trong đó đĩa xích z 5 = 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.
710


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 7. Cấu tạo cụm dao cắt
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

 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. 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 n đc = 47,7 vòng/phút truyền chuyển động cho
𝑍𝑍2
24
cặp bánh dẫn 1 thông qua tỉ số truyền 𝑍𝑍1 = 12 quay với tốc độ n 1 =23,85 vòng/phút. Sau đó
𝑧𝑧3

𝑧𝑧4

12

24

thông qua đĩa xích trung gian có tỉ số truyền 𝑧𝑧2 × 𝑧𝑧3 = 24 × 12 bánh dẫn 2 sẽ quay với tốc độ
n 2 = 23,85 vòng/phút ngược chiều với bánh dẫn 1 để ép và dẫn hướng cho ca cao xuống theo
chiều dọc.

711


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

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.

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 các tác giả đã xây dựng được một mô
hình máy cắt vỏ cứng ca cao với năng suất trung bình 2400 trái/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
712


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
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 s IA. XOKOLOV, es Research and Dev, NXB Khoa học Kỹ thuật.
THÔNGTIN TÁC GIẢ
1.

Văn Hữu Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Email: , Di động: 0918 025 201

2.

Nguyễn Thoại Khanh, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng.
Email: , Di động: 0902 923 213

713