TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM KHOA CƠ KHÍ - CÔNG NGHỆ  CHUYÊN ĐỀ HỌC PHẦN: CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG CHẾ BIẾN NÔNG SẢN THỰC PHẨM Chuyên đề 22: Hãy trình bày cơ sở lý thuyết quá trình trộn vật liệu rời và dẻo ? Nêu sự khác biệt so với khi khuấy trộn hỗn hợp lỏng Giáo viên hướng dẫn : TS Đinh Vương Hùng Sinh viên thực hiện : Đỗ Trịnh Quỳnh Nga Lớp : Công thôn 39A Huế, 2008 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại ngày nay thì việc sử dụng đồ hộp đã trở nên rất phổ biến. Việc sản xuất thức ăn công nghiệp đòi hỏi một kỹ thuật cao hơn. Trong quá trình sản xuất thực phẩm, thông thường nguyên vật liệu phải qua các công đoạn gia công chế biến bằng nhiều máy móc thiết bị khác nhau, do đó nguyên vật liệu cần phải được chuyển từ công đoạn gia công chế biến bằng nhiều máy móc thiết bị khác nhau, do đó nguyên vật liệu cần phải được chuyển từ công đoạn này sang công đoạn khác. Quá trình này được thực hiện nhờ các máy vận chuyển làm việc trong thời gian không giới hạn, không dừng lại khi nạp và tháo liệu. Công đoạn tiếp theo của việc sản xuất đồ hộp là phân loại và làm sạch. Đối với vật liệu rời là các vật liệu dạng hạt như đường, bột, hạt ngũ cốc Thông thường vật liệu rời bao gồm nhiều thành phần khác nhau và không hoàn toàn đồng nhất. Sự phân chia khối vật liệu rời theo tính chất vật lý nào đó được gọi chung là quá trình phân loại làm sạch vật liệu rời. Trong sản xuất thực phẩm, quá trình đo lường lượng nguyên liệu xác định, định lượng những vật liệu bổ sung và thành phẩm có ý nghĩa lớn. Định lượng phải đảm bảo tiến hành đúng các quy trình công nghệ, cách pha trộn đã quy định, phân đúng và chính xác thành phẩm. Quy trình định lượng được tiến hành liên tục. Để tiến hành đóng gói sản phẩm và làm ra những sản phẩm đảm bảo chất lượng, sản phẩm mới chúng ta phải tiến hằnh pha trộn theo đúng tỷ lệ và trộn theo đúng nguyên tắc. Trong chuyên để này chỉ nghiên cứu đến vấn đề: cơ sở lý thuyết quá tình trộn vật liệu rời và dẻo. Sau đó tiến hành so sánh và rút ra sự khác biệt so với khuấy trộn hỗn hợp lõng. 2 1. Cơ sở lý thuyết của quá trình trộn sản phẩm rời và dẻo 1.1. Tính toán công nghệ a. Độ trộn đều Độ trộn đều là chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng trộn. Độ trộn đều là tỷ số % hay số thập phân khi so sánh tỷ lệ C i của một phần nguyên liệu tỏng mẫu hỗn hợp sau khi trộn với tỷ lệ C o của thành phần nguyên liệu đó được quy định trước khi trộn. Thành phần nguyên liệu được lựa chọn để xác định độ trộn đều phải có tỷ lệ nhỏ nhất trong hỗn hợp. Để xác định độ trộn đều, người ta dùng các phương pháp sau: b. Phương pháp xác định độ trộn đều - Phương pháp V.V Kafakov - Gọi C o là tỷ lệ thành phần quy định ban đầu, C i là tỷ lệ thành phần nguyên liệu đó có trong mẫu phân tích. Lấy n mẫu phân tích để xác định độ trộn đều. Nếu n 1 mẫu phân tích có C o < C i thì: 1 n i 1 i 1 1 o 1 C K 100% n C = å = Nếu n 2 mẫu phân tích có C o > C i thì: 2 n i 2 i 1 2 o 1 100 C K 100% n 100 C = å - = - Độ trộn đều chung của cả hỗn hợp: 1 2 K K K 100% 2 + = Như vậy độ trộn đều K thay đổi từ 0 ÷ 100%. Khi K = 100% đạt được độ trộn đều lý tưởng. Trong chế biến K ≥ 95% là đạt yêu cầu. - Phương pháp hệ số biến thiên Phương pháp này dựa trên nhận định quá trình trộn là quá trình xác xuất. Mức độ trộn đều được đánh giá bằng độ sau lệch bình phương trung bình giữa các thành phần C i của mẫu phân tích và tỷ lệ thành phần quy định C o . Độ lệch bình phương trung bình: n 2 i o i 1 (C C ) n s = å - = Độ trộn trong đều: o v .100% C s = Hoặc có thể dùng công thức: n 2 i i 1 (C C) n 1 s = å - = - Trong đó: n i i 1 1 C C n = å = Độ trộn không đều: v .100% C s = n: là số lượng mẫu phân tích. Khi v ≤ 5% là đạt yêu cầu về độ trộn đều trong chế biến. c. Phương pháp xác định tỷ lệ thành phần mẫu phân tích C i 3 Để xác định tỷ lệ thành phần mẫu phân tích C i , người ta thường dùng chất phụ gia có tỷ lệ bằng tỷ lệ của thành phần nhỏ nhất trong hỗn hợp (5%o ÷1%) đem trộn với thành phần nguyên liệu có tỷ lệ lớn nhất. Sau khi trộn lấy mẫu và tiến hành xác định C i bằng các phương pháp sau: Phương pháp lý học: - Dùng từ trường để tách chất phụ gia nếu chất phụ gia là bột sắt. - Dùng quang phổ. Phương pháp hóa học: Chất phụ gia là một hóa chất như CaCl, CaO, CaCO 3 và một số axit như HCl, H 2 SO 4 sau đó xác định C i theo phương trình phản ứng hóa học: Ví dụ: Nếu chất phụ gia là CaCO 3 ta cho tác dụng với axit HCl theo phản ứng hóa học: CaCO 3 + 2HCL = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 Đo lượng khí CO 2 bay lên ta sẽ xác định được lượng CaCO 3 có trong mẫu phân tích. Ngoài các phương pháp trên người ta còn dùng phương pháp cảm quan bằng cách nhuộm màu. Khi cho chất phụ gia là chất có màu khác với màu của các thành phần hỗn hợp. d. Xác định khối lượng mẫu phân tích Khối lượng mẫu do được xác định theo công thức của Karaxnov B.A 2 4 TB i 2 i t G 10 V (1 P ) P a g d - = - V tb : Thể tích hạt bột trung bình (V = M 3 , m: độ nhỏ). γ : Khối lượng thể tích của thành phần đo trong mẫu. t α : Mức tin cậy với xác xuất 0,95 thì t α = 1,96. P i : Tần xuất của thành phần đo trong hỗn hợp. δ : Sai số khi xác định G. 1.2. Tính toán lý thuyết a. Năng suất máy trộn Đối với máy trộn làm việc gián đoạn, năng suất máy được xác định theo công thức sau: n tr x q V Q 60 γϕ τ τ τ τ = = + + q : Khối lượng hỗn hợp trong một mẻ trộn, tấn. V : Dung tích thùng trộn, m 3 . γ : Khối lượng thể tích của hỗn hợp. ϕ : Hệ số nạp đầy thùng trộn, ϕ = 0,7 - 0,8. τ : Thời gian trộn một mẻ, ph. 4 τ n , τ tr ,τ x : Thời gian nạp, trộn và xả trong một mẻ trộn. Đối với máy khuấy trộn làm việc liên tục, năng suất mày được đặc trưng bởi năng suất thiết bị chuyển chúng và được xác định theo công thức: 2 (D d) Q 60 Sn π γϕ ϕ − = (tấn/h) D, d : Đường vành ngoài và trong của vít xoắn, m. S : Bước viét, m. n : Tốc độ vít xoắn (vg/ph) γ : Khối lượng thể tích, tấn/m 3 . ϕ : Hệ số nạp đầy. b. Công suất máy - Đối với máy trộn cách dùng để trộn sản phẩm dẻo làm việc liên tục, các cánh gạt vừa có nhiệm vụ trộn vừa đẩy nguyên liệu di chuyển từ cửa nạp đến cửa thoát. Trong trường hợp chung, công suất máy được xác định theo công thức: z ht ht dt dt 1 F .v F .v N 1000 ∫ + = F ht , F dt : Thành phần hướng tâm và dọc trục của hợp lực các lực cản của nguyên liệu tác dụng lên cánh nhúng chìm trong nguyên liệu. V ht , v dt : Vận tốc hướng tâm và dọc trục của điểm đặt hợp lực các lực cản của nguyên liệu tác động lên cánh nhúng chìm trong nguyên liệu. z : Số cánh đồng thời nhúng chìm trong nguyên liệu. Khi trộn sản phẩm dẻo (thịt băm nhuyễn) cánh của máy trộn tác dụng lên nguyên liệu, khắc phục trở lực của vật liệu trộn. Đại lượng đó phụ thuộc vào tính chất cơ lý của sản phẩm trộn, tốc độ chuyển động của cánh và khối lượng sản phẩm trộn. Các cánh chuyển động trong khối sản phẩm trộn truyền cho khối sản phẩm một tốc độ nào đó, nó phải khắc phục được: trở lực của sản phẩm hướng vào mặt cánh, ma sát của sản phẩm với cánh, ma sát giữa sản phẩm với sản phẩm, lực dính của sản phẩm với cánh. Áp suất pháp tuyến trên một đơn vị diện tích của cánh nhúng chìm trong sản phẩm được xác định như sau: 2 0 2 0 htg (45 ) 2ctg (45 ) 2 2 θ θ σ γ = + + + (N/m 2 ) γ : Trọng lượng thể tích của sản phẩm (N/m 2 ). h : chiều sâu nhúng chùm của cánh, (m). θ : Giá trị nội ma sát của sản phẩm. c : Lực dính riêng của sản phẩm với cánh (N/m 2 ). Lực tác dụng lên tất cả các cánh nhúng chìm trong sản phẩm: 5 2 0 2 0 tb P F h tg (45 ) 2c.tg (45 ) 2 2 θ θ γ   = + + +     (N) h tb : Chiều sâu nhúng chùm trung bình của cánh trong sản phẩm, m. F : Diện tích của cánh nhúng chìm trong sản phẩm, m 2 . Ngoài lực P trên cánh gạt còn có tác dụng của lực ma sát F ms của khối sản phẩm trộn với cánh. Hợp lực của P và F ms là R được xác định theo sơ đồ: P R cos ϕ = (N) ϕ : Góc ma sát của sản phẩm với cánh. Hợp lực R tác động lên cánh nghiêng được chia ra hai thành phần F ht và F dt . Thành phần lực hướng tâm: ht P P F Rcos( ) cos( ) (cos cos sin sin ) cos cos α ϕ α ϕ α ϕ α ϕ ϕ ϕ = − = − = − = P(cosα + sinαtgϕ) = P(cosα + fsinα). Trong đó: α : góc nghiêng của cánh so với đường sinh của trục. tgϕ : f - hệ số ma sát của sản phẩm với cánh. Từ đó: 2 0 2 0 ht tb F F. h tg (45 ) 2c.tg (45 ) (cos +fsin )(N) 2 2 θ θ γ α α   = + + +     Thành phần lục dọc trục tác dụng lên cánh: ht P P F R sin ( ) sin( ) (sin cos cos sin ) cos cos α ϕ α ϕ α ϕ α ϕ ϕ ϕ = − = − = − = P(sinα - fcosα) 2. Sự khác biệt so với khuấy trộn hỗn hợp lõng 2.1. Thủy động lực học a. Phân bố vận tốc trong thiết bị khuấy Vận tốc chất lỏng trong thiết bị khuấy v có thể phân tích thành 3 thành phần: - Vận tốc vòng tiếp tuyến v t . - Vận tốc hướng kính v r . - Vận tốc chiều trục v z . Trị số của chúng được xác định theo các công thức sau: t 2 2 vtg v 1 tg tg α α β = + + r 2 2 v v 1 tg tg α β = + + z 2 2 vtg v 1 tg tg β α β = + + α, β là góc giữa véc tơ vận tốc v của chất lỏng với mặt phẳng đứng đi qua trục và với mặt phẳng vuông góc với trục. Vận tốc của chất lỏng thay đổi theo vị trí của chất lỏng đối với tâm bộ phận khuấy. 6 Thực nghiệm đã xác định được phân bố vận tốc chất lỏng với bộ phận khuấy tuabin, bản trong thùng chứa không có tấm chắn ở độ cao z = 15cm. Ở chế độ chảy dòng, dạng phân bố vận tốc v t của thiết bị khuấy thùng trơn không phụ thuộc vào chiều cao z kể từ tâm cách khuấy. Lúc này toàn bộ chất lỏng trong thiết bị khuấy được chia làm 2 vùng I và II có danh giới là r 0 và được mô tả bằng quy luật phân bố vận tốc v t khác nhau. Vùng quy luật phân bố vận tốc là đường thẳng được mô tả gần đúng bằng công thức: v i = ωr ω 1 : vận tốc chất lỏng lấy gần bằng vận tốc góc ω của bộ phận khuấy, s -1 . r: khoảng cách của vị trí chất lỏng rới trục khuấy, m. Vùng II là đường hypebon được mô tả gần đúng theo biểu thức: m 0 1 to r v v r   =  ÷   v io = ωr 0 r 0 bán kính của hình trụ phân ranh giới vùng I và II. M hệ số mỹ được xác định bằng thực nghiệm, m = 0,75 ÷ 1. Bán kính r 0 có thể lấy như sau: đối với bộ phận khuấy khung bản và chân vịt r 0 = (0,35 ÷ 0,45)r k , bộ phận khuấy tuabin r 0 = (0,6 ÷ 0,7)r k , trong đó r k là bán kính bộ phận khuấy. Vận tốc hướng kính v r phân bố đối xứng qua mặt phẳng quay đi qua tâm bộ phận khuấy và đúng tại mặt phẳng này v r đạt trị số cực đại v rmax . Tỷ số v r /v max = 0,64 - 0,81. Một số nhà nghiên cứu đã cho rằng r t v const v = và v r xác định theo biểu thức sau khi cánh của bộ phận khuấy phân bố theo hướng kính: b 0.12 n r 1 k R v v A r η η     =  ÷  ÷     R: bán kính thùng khuấy (m) η n : độ nhớt của nước. η : độ nhớt của chất lỏng được khuấy. A, b: là các hệ số thực nghiệm. 7 KẾT LUẬN Khuấy trộn sản phẩm rời và dẻo là quá trình cơ học nhằm xáo trộn hai hay nhiều thành phần của nguyên liệu thành một hỗn hợp đồng đều. Các máy trộn được sử dụng rất rộng rãi trong chế biến lương thực và thực phẩm như công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi, công nghiệp sản xuất tinh bột, bánh mì, bánh kẹo, và nhiều lĩnh vực sản xuất khác, bởi vì chúng có những tác dụng như sau: - Bổ sung chất lượng, mùi vị lẫn nhau giữa các thành phần nguyên liêu, nhờ đó sẽ làm tăng được vị thơm ngon của sản phẩm. - Làm tăng cường các phản ứng sinh hoá trong quá trình trộn, vì dụ: trộn nước vôi với rơm thái để kiềm hóa, trộn men với các nguyên liệu khác để ủ men. ************************* 8 . lệ và trộn theo đúng nguyên tắc. Trong chuyên để này chỉ nghiên cứu đến vấn đề: cơ sở lý thuyết quá tình trộn vật liệu rời và dẻo. Sau đó tiến hành so sánh và rút ra sự khác biệt so với khuấy trộn. LÂM KHOA CƠ KHÍ - CÔNG NGHỆ  CHUYÊN ĐỀ HỌC PHẦN: CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN TRONG CHẾ BIẾN NÔNG SẢN THỰC PHẨM Chuyên đề 22: Hãy trình bày cơ sở lý thuyết quá trình trộn vật liệu rời và dẻo ? Nêu sự khác. khuấy trộn hỗn hợp lõng. 2 1. Cơ sở lý thuyết của quá trình trộn sản phẩm rời và dẻo 1.1. Tính toán công nghệ a. Độ trộn đều Độ trộn đều là chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng trộn. Độ trộn đều