Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm Giáo trình kỹ thuật thực phẩm
LỜI NÓI ĐẦU Trong công nghệ sản xuất thực phẩm, người ta áp dụng nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau nhằm làm biến đổi vật liệu để tạo ra các sản phẩm thực phẩm. Việc tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết của các quá trình công nghệ, nguyên lý làm việc của các thiết bị, cách tiến hành và phương pháp tính toán các quá trình công nghệ là cần thiết đối với các cán bộ, kỹ thuật viên công tác trong lĩnh vực thực phẩm. Học phần “Kỹ thuật thực phẩm” là một học phần thuộc khối kiến thức chuyên môn trong chương trình giáo dục ngành Công nghệ thực phẩm, trình độ cao đẳng. Trường Cao đẳng Lương thực Thực phẩm tổ chức biên soạn giáo trình “Kỹ thuật thực phẩm” để làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm và là tài liệu để cho giảng viên tham khảo khi giảng dạy học phần nói trên. Nội dung giáo trình “Kỹ thuật thực phẩm” này trình bày các kiến thức về các kỹ thuật xử lý, chế biến được sử dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Trong mỗi chương của giáo trình đều trình bày các kỹ thuật xử lý nguyên liêu, thực phẩm thường được áp dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Mỗi kỹ thuật xử lý, chế biến có nêu cơ sở lý thuyết của quá trình công nghệ, giới thiệu nguyên lý làm việc của các máy và thiết bị dùng thực hiện quá trình công nghệ, ảnh hưởng của các kỹ thuật chế biến đến đặc tính cảm quan và giá trị dinh dưỡng của các thực phẩm được chế biến. Ngoài ra, trong giáo trình còn giới thiệu các công thức cần thiết dùng để tính toán một số thông số của quá trình. Tuy nhiên, đối với sinh viên trình độ cao đẳng, việc tính toán chỉ giới hạn ở một số thông số cần thiết và mức độ đơn giản. Nội dung giáo trình này gồm 2 phần và 14 chương. Phần I trình bày những kiến thức chung của các kỹ thuật xử lý, chế biến; phần II trình bày kiến thức của từng kỹ thuật xử lý, chế biến áp dụng trong công nghiệp thực phẩm. Bố cục của giáo trình này như sau: PHẦN I. NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG Chương1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỰC PHẨM Chương 2. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT THỰC PHẨM PHẦN II. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ, CHẾ BIẾN THỰC PHẨM Chương 3. PHÂN RIÊNG HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT Chương 4. PHỐI TRỘN, PHÂN LOẠI Chương 5. ÉP, LÀM NHỎ KÍCH THƯỚC Chương 6. THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG Chương 7. BỐC HƠI (CÔ ĐẶC) Chương 8. CHẦN, HẤP, CHIÊN, NƯỚNG Chương 9. LẠNH VÀ LẠNH ĐÔNG Chương 10. CHƯNG CẤT Chương 11. TRÍCH LY Chương 12. HẤP THỤ, HẤP PHỤ, TRAO ĐỔI ION 9 Chương 13. KẾT TINH Chương 14. SẤY Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm này cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ sinh học của nhà trường và những người có liên quan đến lĩnh vực chế biến thực phẩm. Trong quá trình biên soạn giáo trình này, mặc dù đã cố gắng song không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi trân trọng và cám ơn những góp ý của đồng nghiệp, sinh viên và bạn đọc để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Những ý kiến đóng góp về giáo trình này xin gửi về: Bộ môn Quá trình và thiết bị thực phẩm, khoa Công nghệ chế biến và bảo quản lương thực-thực phẩm, trường Cao đẳng Lương thưc-Thực phẩm; 101B – Lê Hữu Trác, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng. CÁC TÁC GIẢ 10 11 PHẦN I. NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỰC PHẨM 1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. Khái niệm về kỹ thuật và công nghệ Trong những ngày đầu công nghiệp hóa, người ta sử dụng rất phổ biến thuật ngữ "kỹ thuật" với ý nghĩa là các giải pháp thực hiện một loại công việc hay công cụ được sử dụng trong sản xuất làm tăng hiệu quả sản xuất. Như vậy, có thể xem phạm trù “kỹ thuật” có 2 yếu tố : - Phương pháp hay qui trình sản xuất. - Công cụ hay phương tiện sản xuất. Khái niệm “công nghệ” lúc đầu được hiểu là phương pháp, thủ tục hay qui trình kỹ thuật dùng trong dây chuyền sản xuất. Như vậy, theo nghĩa hẹp thì "công nghệ" là một bộ phận của phạm trù "kỹ thuật". Về sau, khái niệm công nghệ được hiểu rộng hơn và dần dần ổn định như ngày nay. - Phạm trù công nghệ bao gồm 4 yếu tố cơ bản của quá trình sản xuất là: + Vật liệu và quá trình biến đổi của vật liệu + Phương pháp hay qui trình sản xuất. + Công cụ hay phương tiện sản xuất. + Điều kiện kinh tế, chủ yếu là tổ chức sản xuất. Theo quan điểm hệ thống, có thể mô tả khái niệm “công nghệ” theo sơ đồ sau: Biến đổi vật liệu Vật liệu Sản phẩm Phương pháp sản xuất Phương tiện sản xuất Tổ chức Theo sơ đồ trên thì vật liệu - đầu vào của hệ thống, qua quá trình xử lý dưới sự tương tác của 3 yếu tố là: phương pháp sản xuất, phương tiện sản xuất và tổ chức sản xuất bị biến đổi tạo thành sản phẩm - đầu ra của hệ thống. Để hệ thống làm việc hiệu quả thì cần có hệ thống kiểm tra hoặc điều chỉnh các yếu tố công nghệ. Hệ kiểm tra chịu tác động trực tiếp của đặc điểm nguyên liệu và tác động liên hệ ngược của đặc điểm sản phẩm. - Theo định nghĩa mà Trung tâm chuyển giao công nghệ châu Á - Thái Bình Dương đề xướng, công nghệ sản xuất là tất cả những gì liên quan đến việc biến đổi tài nguyên ở đầu vào thành hàng hóa ở đầu ra. Hệ thống công nghệ sản xuất bao gồm: 12 + Các máy móc, thiết bị của dây chuyền sản xuất (phần kỹ thuật) + Thông tin về qui trình sản xuất (phần thông tin) + Trình độ tay nghề, kỹ năng của người lao động (phần con người) + Trình độ tổ chức quản lý, điều hành sản xuất (phần tổ chức) Như vậy, theo quan điểm này thì phạm trù "công nghệ" có thêm yếu tố con người. Theo khái niệm "công nghệ" ngày nay (nghĩa rộng) thì "kỹ thuật" là một bộ phận của phạm trù "công nghệ". Khái niệm công nghệ được sử dụng rộng rãi vào các lĩnh vực của cuộc sống con người, không chỉ trong sản xuất vật chất mà còn trong các hoạt động xã hội. Ví dụ: công nghệ thông tin, công nghệ giáo dục,…Tuy nhiên công nghệ luôn gắn chặt với công nghiệp. Công nghệ là nền tảng của công nghiệp, còn công nghiệp là phương thức chuyển tải công nghệ vào cuộc sống. 1.2. Phân loại các phương pháp công nghệ Trong sản xuất thực phẩm, người ta áp dụng nhiều phương pháp công nghệ khác nhau. Có thể phân chia các phương pháp đó thành nhiều loại như sau: 1.2.1. Phân loại các phương pháp công nghệ theo trình tự thời gian Cách phân loại này dựa vào trình tự thời gian từ lúc nguyên liệu ban đầu được đưa vào quá trình chế biến cho đến khi được sử dụng. -Thu hoạch hay thu nhận nguyên liệu -Bảo quản nguyên liệu tươi hay bán chế phẩm -Chế biến -Bảo quản thành phẩm -Xử lý thực phẩm trước khi sử dụng Phân loại kiểu này phù hợp với việc tổ chức sản xuất hoặc bố trí lao động 1.2.2. Phân loại theo trình độ sử dụng công cụ Cách phân loại này dựa vào mức độ thay thế sức lao động của con người bằng máy móc, thiết bị - Phương pháp thủ công - Phương pháp cơ giới hóa - Phương pháp tự động hóa Phân loại kiểu này liên quan đến năng suất lao động 1.2.3. Phân loại theo sử dụng năng lượng Cách phân loại này dựa vào nguồn năng lượng được sử dụng trong quá trình chế biến. Nguồn năng lượng được tạo ra có thể do tác nhân vật lý, quá trình hóa học hay sinh học. Theo cách phân loại này, các quá trình hay phương pháp công nghệ thực phẩm thường gặp là: 13 - Các quá trình cơ học: nghiền, ép, sàng, lọc… - Các quá trình nhiệt: sấy, chưng cất, cô đặc… - Các quá trình hóa sinh, sinh tổng hợp, tự phân… 1.2.4. Phân loại theo tính chất liên tục Phương pháp công nghệ là gián đoạn, bán liên tục hay liên tục. Phân loại kiểu này liên quan đến việc tổ chức thực hiện các qui trình hay quá trình công nghệ. 1.2.5. Phân loại theo trạng thái ẩm của thực phẩm - Phương pháp khô (rây, nghiền nhỏ, sấy khô…) - Phương pháp ướt (lắng lọc, trích ly…) Sự phân loại này chủ yếu dựa trên yêu cầu sử dụng nước trong các quá trình công nghệ, phần lớn chúng thuộc về công nghệ gia công. 1.2.6. Phân loại theo mục đích của quá trình - Phương pháp chuẩn bị bao gồm các phương pháp như : phân loại, tách tạp chất, tạo hình, đun nóng… Phương pháp chuẩn bị nhằm biến đổi các tính chất vật lý của nguyên liệu hay bán chế phẩm, nhằm đạt được các thông số thuận lợi để tiến hành phương pháp hay quá trình chủ yếu tiếp theo. - Phương pháp khai thác bao gồm các phương pháp như: chưng cất, cô đặc, ép… Phương pháp khai thác nhằm tăng giá trị vật liệu, làm giàu các chất dinh dưỡng trong thực phẩm. Phương pháp khai thác chỉ làm vật liệu biến đổi các tính chất vật lý, hóa lý. - Phương pháp chế biến bao gồm các phương pháp như: nấu chín, chiên, thủy phân, lên men, … Phương pháp chế biến làm vật liệu biến đổi về thành phần hóa học, tính chất vật lý và hóa học nhằm tạo ra tính chất mới của sản phẩm. - Phương pháp bảo quản bao gồm các phương pháp như : thanh trùng, lạnh đông, làm khô,…: Phương pháp bảo quản nhằm giảm thấp nhất sự thất thoát các giá trị dinh dưỡng, giữ ổn định các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu, kéo dài thời gian sử dụng vật liệu. - Phương pháp hoàn thiện bao gồm các phương pháp như: bao gói, dán nhãn,… Phương pháp hoàn thiện nhằm tạo điều kiện để bảo quản, vận chuyển dễ dàng hoặc tạo cho sản phẩm có hình thức thích hợp, tăng giá trị sản phẩm. Phương pháp này làm sản phẩm thay đổi tính chất cảm quan là chính. 1.2.7. Phân loại các phương pháp công nghệ theo qui luật khoa học tự nhiên Theo quan điểm công nghệ này người ta có thể kể đến các loại phương pháp công nghệ sau đây : - Các phương pháp vật lý (cơ học, nhiệt…) - Các phương pháp hóa lý (chưng cất, hấp phụ) - Các phương pháp hóa học (thủy phân, axit hóa, trung hòa) - Các phương pháp hóa sinh (dấm chín, ủ) 14 - Các phương pháp sinh học (lên men, sát trùng) Cách phân loại này thể hiện được bản chất của phương pháp, do vậy dễ dàng tìm được cơ sở tối ưu hóa các quá trình đó. Bảng 1.1. Phân loại các quá trình theo qui luật khoa học tự nhiên và theo mục đích công nghệ Phân loại các quá trình theo qui luật khoa học tự nhiên Phân loại các quá trình theo mục đích công nghệ Chuẩn bị Khai thác Chế biến Bảo quản Hoàn thiện Các quá trình vật lý Các quá trình cơ học: - Làm sạch x - Phân chia x - Phối chế x x - Định hình x x x - Bài khí x x x x x Các quá trình nhiệt - Làm nguội x x - Làm lạnh đông x x - Đun nóng x x x - Nấu chín x x x - Hấp x x x - Chiên x x x - Nướng x x x Các quá trình hóa lý - Chưng cất x - Cô đặc x x x x - Hấp phụ x x - Trích ly x - Làm khô x Các quá trình hóa học - Thủy phân x - Acid hóa x x x x - Ướp muối x - Nhuộm màu x 15 x Phân loại các quá trình theo qui luật khoa học tự nhiên Phân loại các quá trình theo mục đích công nghệ Chuẩn bị Khai thác Chế biến Bảo quản Hoàn thiện Các quá trình hóa sinh và sinh học - Ủ chín x x x x - Lên men x x x x - Sát trùng x x 1.3. Phân loại các quá trình công nghệ Với cách phân loại các phương pháp công nghệ như trên ta thấy: Trong mỗi phương pháp có nhiều quá trình có bản chất gần giống nhau (như quá trình thủy phân, trung hòa trong phương pháp hóa học), nhưng cũng có thể có các quá trình có bản chất khác nhau rất nhiều (như quá trình cơ học, quá trình nhiệt trong phương pháp vật lý). Trong sản xuất thực phẩm có nhiều quá trình công nghệ khác nhau. Và để dễ dàng hiểu được bản chất của của các quá trình, người ta chia quá trình thành các nhóm dựa vào các qui luật đặc trưng. Trong từng nhóm quá trình là các quá trình cụ thể thường gặp trong công nghệ thực phẩm. Đó là các nhóm: 1.3.1. Các quá trình thủy lực - Quá trình nén khí, vận chuyển chất lỏng, khuấy trộn chất lỏng - Quá trình lắng, lọc, ly tâm (phân riêng hệ không đồng nhất). 1.3.2. Các quá trình cơ học - Quá trình nghiền, ép, phân chia. - Quá trình phối trộn 1.3.3. Các quá trình nhiệt và truyền nhiệt - Quá trình đun nóng, làm nguội và ngưng tụ. - Quá trình làm lạnh. - Quá trình rán, chiên, nướng, sao rang. 1.3.4. Quá trình hóa lý - Quá trình trích ly. - Quá trình chưng cất. - Quá trình cô đặc, keo tụ, kết tinh. - Quá trình sấy. - Quá trình hấp phụ 1.3.4. Các quá trình hóa học - Quá trình thủy phân. - Quá trình thay đổi màu. 16 1.3.5. Các quá trình sinh học và hóa sinh - Quá trình chín sau thu hoạch. - Quá trình lên men. 1.4. Khái niệm công nghệ gia công và công nghệ chế biến Phân biệt khái niệm công nghệ gia công và công nghệ chế biến. Gia công: là phương pháp biến đổi vật liệu từ trạng thái này sang trạng thái khác nhưng chưa đạt được trạng thái cuối cùng cần yêu cầu của vật liệu hay của sản phẩm. Chế biến : là phương pháp biến đổi vật liệu cho đến khi đạt được trạng thái cuối cùng cần yêu cầu của vật liệu hay của sản phẩm. Ví dụ : Chế biến : Mì sợi. Bôt mì Gia công : Nhào bột, cán bột nhào, cắt sợi, hấp... Chế biến : Thóc Gia công : làm sạch, phân loại, bóc vỏ, xát trắng... Gạo Như vậy chế biến gồm nhiều giai đoạn gia công, có thể mô tả như sau: Nguyên liệu Gia công 1 Gia công 2 Gia công 3 Sản phẩm Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ chế biến 2. CÁC CHÚ Ý VỀ TRANG THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM - Chức năng của thiết bị Khi chọn thiết bị để thực hiện các quá trình công nghệ thực phẩm cần chú ý các chức năng: + Thiết bị chuyên môn hóa hay thiết bị vạn năng? Trong công nghệ thực phẩm, người ta sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau, áp dụng các qui trình công nghệ khác nhau cho nên việc sử dụng các thiết bị chuyên môn hóa hay vạn năng có ý nghĩa đến việc tổ chức sản xuất và đầu tư thiết bị kỹ thuật. Thông thường nên chọn loại thiết bị có nhiều tính năng và xử lý được nhiều loại nguyên liệu khác nhau thì có lợi hơn. + Thiết bị, máy móc để kiểm tra hay điều khiển các quá trình công nghệ (thiết bị, dụng cụ đo các thông số kỹ thuật) làm việc tự động hay bán tự động? - Vật liệu chế tạo thiết bị Chọn loại thiết bị được chế tạo từ vật liệu chống ăn mòn, chống oxy hóa, như thép không gỉ (inox), chất dẻo, vật liệu có tráng men hoặc vecni thực phẩm... để tránh sự biến đổi các chỉ tiêu lý, hóa và bảo đảm được vệ sinh, an toàn thực phẩm. - Tính liên tục và tự động hóa của dây chuyền sản xuất Trong sản xuất thực phẩm, việc tự động hóa và thực hiện quá trình liên tục là 17 nhiệm vụ cần tính đến. Tuy nhiên, vẫn có một số quá trình phải thực hiện thủ công, gián đoạn mà chưa có thiết bị nào thay thế được. Ngoài ra, yêu cầu thiết bị, dụng cụ phải phù hợp với thao tác của người lao động và điều kiện khí hậu, đảm bảo tính liên tục của dây chuyền sản xuất. 3. TỔ CHỨC KINH TẾ TRONG KỸ THUẬT THỰC PHẨM Các yếu tố cơ bản trong quá trình tái sản xuất là: sức lao động, đối tượng lao động và công cụ lao động. 3.1. Sức lao động Sự chuyên môn hóa và tổ chức lao động trong ngành công nghiệp thực phẩm rất khác nhau. Tùy thuộc vào sự khác nhau về nguyên liệu và sản phẩm, số lượng sức lao động phụ thuộc vào trình độ cơ giới hóa và tự động hóa. Trong ngành công nghiệp thực phẩm cũng như các ngành công nghiệp khác, lĩnh vực khoa học – tổ chức lao động đã tập trung phát triển theo các hướng như sau: - Tăng năng suất lao động và giảm chi phí lao động bằng cách cơ giới hóa hay tự động hóa. Trong chế biến thực phẩm, vấn đề này thường được tập trung vào giải quyết cho các quá trình vận chuyển, chuẩn bị và hoàn thiện. - Cải tiến điều kiện lao động bằng các biện pháp bảo hộ lao động chống lại hiện tượng mệt mỏi của người lao động vì nóng ẩm, ồn và đồng thời thực hiện các biện pháp vệ sinh trong sản xuất. - Điều hòa phân phối hợp lý sức lao động phụ thuộc vào tính chất thời vụ của sản xuất thực phẩm. 3.2. Đối tượng lao động Muốn đạt được hiệu quả cao trong sản xuất, tổ chức cung cấp và sử dụng vật tư thì cần thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản là : - Sử dụng tổng hợp các biện pháp để giảm chi phí nguyên vật liệu đến mức thấp nhất nhằm giảm giá thành của một đơn vị sản phẩm. - Đảm bảo sự liên tục của quá trình tái sản xuất. Để thực hiện hai nhiệm vụ trên cần phải tiến hành các biện pháp như sau : - Ổn định việc thay thế và cung cấp nguyên vật liệu. Đối với ngành công nghiệp thực phẩm phải đặc biệt chú ý tới tính thời vụ, như trong chế biến lương thực, rau quả, đường... Ở đây việc bảo quản nguyên liệu, hay bán chế phẩm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. - Tiêu chuẩn hóa nguyên liệu và sản phẩm, đồng thời tăng cường sử dụng các hệ thống kiểm tra chất lượng. - Tận dụng triệt để nguyên liệu. - Sử dụng các kết cấu tiết kiệm vật liệu trong xây dựng cơ bản, chế tạo thiết bị và trong tổ chức qui trình, đồng thời sử dụng các phương tiện hiện đại. 18 3.3. Công cụ lao động Tức là công cụ sản xuất, bao gồm các loại trang thiết bị máy móc và phương tiện vận chuyển. Trong vấn đề này phải luôn tính đến hiệu quả đầu tư của việc thay đổi trang bị kỹ thuật. Vì vậy, trong nhiều trường hợp trong cùng một đơn vị sản xuất người ta đồng thời sử dụng các loại thiết bị, máy móc có trình độ hiện đại khác nhau. 4. ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN 4.1. Định nghĩa thuật ngữ Thứ nguyên: dùng để chỉ một đại lượng vật lý đang xem xét, ví dụ: thời gian, khoảng cách, khối lượng,... Đơn vị: dùng để chỉ độ lớn của thứ nguyên đang xem xét, ví dụ: mét (m) đối với chiều dài, kilogam (kg) đối với khối lượng. Đơn vị cơ bản: là độ lớn của những thứ nguyên độc lập, thứ nguyên duy nhất, ví dụ: đơn vị của chiều dài, đơn vị của khối lượng và đơn vị của thời gian. Đơn vị dẫn xuất: là đơn vị được suy ra từ các đơn vị cơ bản, do sự phối hợp các thứ nguyên khác nhau. Ví dụ: đơn vị của lực là N (Newton) được suy ra từ ba đơn vị cơ bản của các thứ nguyên là khối lượng, chiều dài và thời gian, N = kg.m/s2 Độ chính xác: mức độ sai lệch của phép đo so với giá trị trung bình, thường được biểu diễn bằng ký hiệu ± giá trị nhỏ nhất của đơn vị có thể định lượng được 4.2. Các hệ thống đo lường Có nhiều hệ thống đo lường khác nhau được sử dụng. Các hệ thống này khác nhau về việc sử dụng các đơn vị cơ bản. Hệ mét (metric) bao gồm hệ cgs và mks. Trong kỹ thuật, sử dụng phổ biến hệ “mks”, trong khi đó nghiên cứu khoa học sử dụng phổ biến hệ “cgs”. Hệ thống các đơn vị đo lường được dùng trên thế giới là hệ SI (viết tắt từ chữ Systeme International d’ Unites) được dùng cả trong nghiên cứu khoa học và trong kỹ thuật. Một số hệ thống đo lường được trình bày ở bảng 1.2. Bảng 1.2. Các hệ thống đo lường Hệ thống đo lường Lĩnh vực áp dụng Thứ nguyên Chiều dài Khối lượng Thời gian Nhiệt độ Lực Năng lượng Hệ mét (Metric) cgs mks Khoa học Centimet Gam Giây (cm) (g) (s) Kỹ thuật Mét Kilogam Giây (m) (kg) (s) 19 o C Dyne Calorie (cal) o C Kilogam Kilocalorie lực (kcal) (kG) Hệ quốc tế (SI) Khoa học, kỹ thuật và đời sống Mét Kilogam Giây (m) (kg) (s) o F Newton Joule (N) (j) 4.3. Hệ SI 4.3.1. Các đơn vị trong hệ SI và ký hiệu của chúng SI sử dụng các đơn vị cơ bản và các tiếp đầu ngữ để biểu thị số lượng. Tất cả các thứ nguyên có thể được biểu diễn hoặc bằng đơn vị cơ bản hoặc bằng đơn vị dẫn xuất (do sự kết hợp của các đơn vị cơ bản). Các đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất cùng với tên gọi của chúng cho ở bảng (1.3). Bảng 1.3. Các đơn vị cơ bản của SI và các đơn vị dẫn xuất Đại lượng TT Tên đơn vị Ký hiệu mét m Công thức 1 Chiều dài 2 Khối lượng kilogam kg 3 Cường độ dòng điện Ampere A 4 Nhiệt độ Kelvin K 5 Lượng vật chất mole mol 6 Thời gian second (giây) s 7 Độ sáng Candela cd 8 Lực Newton N kg m/s2 9 Áp suất Pascal Pa N/m2 10 Năng lượng, công Joule J kg.m2/s2= N.m 11 Công suất Watt W J/s 12 Điện thế volt V W/A 13 Điện trở ohm 14 Độ phóng xạ Becquerel Bq 1/s 15 Liều hấp thu Gray Gy J/kg 16 Vận tốc mét/giây V/A m/s Nguồn: American National Standard, 1976. Metric Practice. IIEE Std. 268-1976. Institute of Electricaland Electronics Engineers, New York. Ghi chú: 6 đơn vị thứ tự từ 1 đến 6 là 6 đơn vị cơ bản 20 4.3.2. Bội số và ước số của các đơn vị Một thứ nguyên được biểu diễn bằng một số và một đơn vị. Đối với các đơn vị cơ bản và các các đơn vị dẫn xuất đã được đặt tên, người ta có thể dùng các tiền tố (tiếp đầu ngữ) chỉ số lượng, có độ lớn bội số của 10, đặt trước các đơn vị. Các tiếp đầu ngữ chỉ số lượng được khuyến cáo sử dụng như ở bảng 1.4. Bảng 1.4. Các tiếp đầu ngữ được khuyến cáo sử dụng trong SI Tiền tố Bội số Ký hiệu tera 1012 T giga 109 G mega 106 M kilo 1000 k deci 10−1 d centi 10−2 c milli 10−3 m micro 10−6 μ nano 10−9 n pico 10−12 p femto 10−15 f Ghi chú: ký hiệu của tiền tố được viết hoa khi bội số từ 106 trở lên, viết thường khi bội số nhỏ hơn 106. Lưu ý các trường hợp sau: 10.000 cm thì không ghi là 10 kcm mà có thể là 100 m 0,000001 m là 1 μm. 3000 m3 không được viết là 3 km3. 10.000 N/m2 có thể viết 10 kPa nhưng không viết 10 kN/m2. 4.3.3. Sự chuyển đổi các đơn vị Để chuyển đổi các đơn vị được dễ dàng là dùng hệ số chuyển đổi đơn vị, suy ra từ phương trình thứ nguyên. Phương trình thứ nguyên là phương trình chứa cả các số và các đơn vị của thứ nguyên. Các đơn vị trong phương trình thứ nguyên được xử lý như các số hạng đại số. Tất cả các phép toán thực hiện trên các số cũng được thực hiện đối với các đơn vị tương ứng của chúng. Các số có thể xem như một hệ số của một ký hiệu đại số trình J bày bằng đơn vị. Chẳng hạn, (5m)2 = (5)2 (m)2 = 25m2; 5 (10kg)(5K) = kg.K 21 J .kg.K (5)(10)(5) = 250J kg.K Hệ số chuyển đổi đơn vị là tỷ số có giá trị thực là một đơn vị, tức là tổng hợp các số và đơn vị ở tử số bằng với tổng hợp các số và đơn vị ở mẫu số. Nếu tính riêng giá trị của các con số thì tỷ số không bằng 1. Hệ số chuyển đổi đơn vị biểu thị sự tương đương của một đại lượng duy nhất theo hai đơn vị khác nhau. Bảng 1.5. Hệ số chuyển đổi đơn vị Phương trình thứ nguyên Tỷ số Hệ số chuyển đổi 1 h = 3600 s 1 h/3600s =1 1 h/3600s 3600 s = 1h 3600s/1h =1 3600s/1h 1 m3 = 1000 L 1000L/1m3 =1 1000L/1m3 1 ft = 0,3048m 1 ft /0,3048m =1 0,3048m/1 ft 1 in = 2,54 cm 1 in/2,54cm =1 2,54 cm/1 in 1 Btu = 1055 J 1 Btu/1055 J =1 1055 J/ 1 Btu 0 0 F /32+1,8* 0C =1 (32+1,8* 0C)/F K=273,15+0C (K-273,15)/ 0C =1 (K-273,15)/ 0C 1 psi = 6894,76 Pa 1 psi/6894,76 Pa =1 6894,76 Pa/ 1 psi 1kWh = 3600 kJ 1kWh/3600 kJ =1 3600 kJ/1 kWh 1 lb = 0,4536 kg 1 lb/0,4536 kg =1 0,4536kg/lb F = 32 + 1,8 0C Muốn chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị kia, ta nhân đơn vị ban đầu với hệ số chuyển đổi đơn vị. Ví dụ1: Một băng tải chuyển động 90 cm trong 15 s. Tốc độ v của băng tải tính theo m/h là bao nhiêu? Giải: 90 cm 90cm 1m = 15 s m 3600 s x = 216 x 15 s 100 cm 1h h Ví dụ 2: Chuyển đổi Btu/lb.0F thành J/kg.0C Giải: J Btu = g.K J g.0C Lb.0F Btu = Lb. 0F X Hệ số chuyển đổi 1055J x x Btu x Lb 22 0 454g F 32+1,80C J Btu = g.K Lb.0F X 4,185 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Chuyển đổi đơn vị đo sau đây: a. 20 hl/min thành l/h d. 1 atmosphere thành kPa c. 1 g/cm3 thành kg/m3 d. 251oF thành 0C 2. Cho sữa chảy vào máy đóng chai với lưu lượng 0,08 m3/min. Hỏi có bao nhiêu chai 1 lít được chiết đầy trong 10 h 3. Một dây chuyền đóng gói đảm nhận gói được 2 quả táo trong 1 giây (s). Nếu mỗi quả táo trung bình nặng 100 g, hỏi trong 4 h thì sẽ làm đầy bao nhiêu gói, mỗi gói chứa 2 kg táo? 23 Chương 2. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT THỰC PHẨM 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA THỰC PHẨM 1.1. Tính chất vật lý 1.1.1. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng - Khối lượng riêng của vật liệu (còn gọi là mật độ, ký hiệu ρ) là lượng vật liệu chứa trong một khoảng không gian nào đó, và được biểu diễn bằng đơn vị khối lượng trên đơn vị thể tích. ρ= ∆M ∆V (kg/m3) (2.1) Khối lượng riêng của nước cất ở 40C: ρ = 1000 kg/m3 - Trọng lượng riêng của vật liệu (ký hiệu γ) là trọng lượng của vật liệu chứa trong một khoảng không gian nào đó, và được biểu diễn bằng đơn vị trọng lượng trên đơn vị thể tích γ= ∆G ∆V (N/m3) (2.2) Quan hệ giữa ρ và γ : γ = ρ. g (2.3) Ở đây: ∆M - khối lượng, (kg); ∆G - trọng lượng, (N- Newton ); ∆V - thể tích, (m3); g - gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2). - Tỉ khối (tỉ trọng) của vật liệu là tỉ số giữa khối lượng riêng (hoặc trọng lượng riêng) của vật liệu đang xét với khối lượng riêng (hoặc trọng lượng riêng ) của nước ở 40C. d= ρ cl γ = cl ρ nuoc γ nuoc (2.4) Trong đó: ρcl - khối lượng riêng của chất lỏng đang xét, (kg/m3) γcl - trọng lượng riêng của chất lỏng đang xét, (N/m3) d - tỉ trọng (không có đơn vị) Thông thường, khi xác định tỉ khối của thực phẩm người ta chọn khối lượng riêng của nước ở 4oC để so sánh. Khối lượng riêng của nước ở 4oC là 1000 kg/m3. Đối với thực phẩm lỏng, người ta tính tỷ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng đo ở 20oC và khối lượng riêng của nước đo ở 4oC, ký hiệu là d 420 . 1.1.2. Tính nhớt Tất cả các chất lỏng thực như nước, không khí… đều có tính nhớt, biểu hiện dưới dạng lực ma sát trong khi có sự chuyển dịch tương đối của các lớp chất lỏng kề nhau. Bên cạnh các chất lỏng rất dễ di động như nước, cồn v.v… cũng tồn tại những chất lỏng mà khả năng chống lực trượt của nó cũng rất đáng kể (glycerin, dầu 24 nặng,…). Bởi vậy tính nhớt đặc trưng cho mức độ di động của chất lỏng. Trong hệ SI, đơn vị đo hệ số nhớt động lực μ là: (N.s)/m2 = Kg/(m.s) = 1Pa.s 1.2. Tính chất nhiệt Tính chất nhiệt của thực phẩm có thể tiêu biểu cho cơ chế trao đổi nhiệt trong các quá trình gia nhiệt hoặc làm lạnh. Tính chất nhiệt của thực phẩm bao gồm: 1.2.1. Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng lên một độ ở một nhiệt độ đã cho, ký hiệu C, đơn vị SI của C là kJ/kg.K Giả sử không có sự thay đổi pha, nhiệt lượng Q cung cấp cho một vật liệu khối lượng M (kg) để tăng nhiệt độ từ T1 đến T2 có thể được tính theo công thức: Q = MC (T2 –T1 ) (2.5) 1.2.2. Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt là lượng nhiệt Q dẫn qua một đơn vị bề mặt và một đơn vị độ dày của vật liệu trong một đơn vị thời gian làm cho chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt là một độ, ký hiệu là λ, đơn vị SI của độ dẫn nhiệt là W/m.K Độ dẫn nhiệt λ thể hiện khả năng của vật liệu cho nhiệt truyền qua, phụ thuộc vào mật độ vật chất. Lượng nhiệt Q truyền qua vật liệu bằng dẫn nhiệt có thể tính toán theo định luật Fourier về dẫn nhiệt. Q= λ F (T1 − T2 ) δ (2.6) Trong đó: F – là diện tích bề mặt của vật liệu, m2 T1, T2 – là nhiệt độ ở trên 2 phía bề mặt của vật liệu, oC δ – chiều dày lớp tường, m Bảng 2.1 Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu của thực phẩm và một số vật liệu khác Loại vật liệu Hệ số dẫn nhiệt(W/mK) Nhiệt độ đo (0C) 220 388 21 45 – 400 0,69 0,87 0 0 20 0 20 20 0,17 0,56 20 20 Vật liệu xây dựng -Nhôm -Đồng -Thép không gỉ -Các kim loại khác -Gạch -Bê tông Thực phẩm -Dầu ô liu -Sữa 25 -Thịt bò lạnh đông 1,30 -10 -Thịt heo 0,48 3,8 -Cá ngừ lạnh đông -Nước táo 1,66 0,56 -10 20 -Nước cam -Trứng 0,41 0,96 0-15 -8 -Nước đá -Nước 2,25 0,57 0 0 -Giấy carton 0,07 20 -Thủy tinh -Polyethylene 0,52 0,55 20 20 -Polyvinylchloride 0,29 20 Vật liệu cách nhiệt -Bọt polystyrene -Bọt polyurethane -Các dạng khác 0,036 0,026 0,026-0,052 0 0 30 Vật liệu bao bì 1.3. Tính chất cảm quan Tính chất cảm quan của thực phẩm gồm các tính chất như: cấu trúc, mùi vị, hình dạng và màu sắc. Tính chất cảm quan của thực phẩm là tính chất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Các nhà sản xuất phải luôn tìm cách cải tiến công nghệ chế biến để duy trì hoặc tạo ra các tính chất cảm quan mong muốn cho các sản phẩm thực phẩm. 1.3.1. Cấu trúc Cấu trúc của thực phẩm xác định bằng độ ẩm, hàm lượng chất béo, dạng và hàm lượng carbohydrate cấu trúc (cellulose, tinh bột, các hợp chất pectin) và protein. Thông thường cấu trúc của thực phẩm bị thay đổi là do sự giảm hàm lượng ẩm hoặc chất béo, do sự tạo thành hay phá vỡ các chất nhũ hóa, do sự thủy phân các carbohydrate, do thủy phân hay đông tụ protein. 1.3.2. Mùi vị Vị thực phẩm bao gồm các vị mặn, ngọt, đắng và chua. Những vị này được quyết định bởi bản chất hóa học của chất gây vị và hầu như không thay đổi trong khi chế biến, ngoại trừ một số quá trình như quá trình hô hấp của thực phẩm tươi hoặc trong quá trình lên men gây ra (thay đổi độ acid và vị ngọt). Những hợp chất dễ bay hơi có trong thực phẩm thường là những chất tạo ra mùi. Những hợp chất này có thể bị hao hụt trong khi chế biến, làm giảm cường độ mùi 26 hoặc tạo ra những mùi khác. Những hợp chất mùi (chất dễ bay hơi) cũng có thể được sinh ra dưới tác động của nhiệt, phóng xạ ion, sự oxy hóa hoặc của enzyme đối với protein, chất béo và carbohydrate. Thí dụ: các sản phẩm của phản ứng Maillard giữa amino acid và đường khử hay nhóm carbonyl, các sản phẩm của sự phân giải chất béo thành acid béo và sự chuyển hóa tiếp theo thành aldehyde, ester và alcohol. Mùi của thực phẩm mà chúng ta cảm nhận là do sự phối hợp phức tạp của hàng trăm hợp chất, một số hợp chất này có tính tương hỗ. 1.3.3. Màu sắc Màu sắc cũng là một trong những yếu tố thể hiện giá trị cảm quan của thực phẩm. Màu sắc tự nhiên của thực phẩm có thể bị thay đổi do tác động của các quá trình chế biến nhiệt, sự thay đổi pH hoặc do sự oxy hóa trong khi tồn trữ. Màu tổng hợp thường có tính ổn định cao hơn đối với tác động của nhiệt, pH và ánh sáng thường được thêm vào để duy trì màu của một số loại thực phẩm. Một số phản ứng hóa học (phản ứng Maillard) có thể tạo màu mong muốn (làm bánh, chiên) hoặc màu xấu trong khi sấy, đóng hộp. 2. SỰ THAY ĐỔI GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG CỦA THỰC PHẨM Nhiều quá trình chế biến thực phẩm không có hoặc rất ít ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của thực phẩm như các quá trình phối trộn, làm sạch, phân loại, sấy thăng hoa v.v... - Chế biến nhiệt là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Thí dụ sự hồ hóa tinh bột hay sự đông tụ protein làm cải thiện khả năng tiêu hóa thực phẩm, các hợp chất ức chế như chất ức chế trypsin trong rau quả bị phá hủy. Tuy nhiên, nhiệt cũng phá hủy một số vitamin không bền nhiệt, làm giảm giá trị sinh học của protein và làm tăng sự oxy hóa chất béo. - Oxy hóa là nguyên nhân quan trọng thứ hai làm thay đổi giá trị dinh dưỡng thực phẩm. Quá trình oxy hóa xảy ra khi thực phẩm tiếp xúc với không khí và do tác động nhiệt hoặc enzyme oxy hóa như peroxidase, lipoxygenase, polyphenoloxidase. Những ảnh hưởng chính của quá trình oxy hóa là: + Sự phá hủy chất béo thành hydroperoxide và những phản ứng tiếp theo tạo thành những hợp chất carbonyl, các acid béo mạch ngắn và trong dầu chiên tạo thành độc tố. + Sự phá hủy các vitamin nhạy cảm với oxy. 3. CÂN BẰNG VẬT LIỆU 3.1. Định luật bảo toàn khối lượng Cân bằng vật liệu được thiết lập dựa trên cơ sở định luật bảo toàn khối lượng: Khối lượng vật liệu vào hệ thống bằng lượng vật liệu ra khỏi hệ thống. Cân bằng vật liệu có thể tính theo từng mẻ (đối với thiết bị làm việc gián đoạn) hoặc tính theo một đơn vị thời gian (đối với thiết bị làm việc liên tục). 27 Cân bằng vật liệu được ứng dụng trong các quá trình phối trộn, lên men, bốc hơi,… Nói chung, một cân bằng vật liệu của một quá trình có dạng như sau: Khối lượng nguyên liệu vào hệ thống = Khối lượng sản phẩm ra khỏi hệ thống + Khối lượng vật liệu tồn lưu trong hệ thống + Khối lượng vật liệu bị tổn thất Trong điều kiện lý tưởng, xem không có vật liệu tích lũy trong hệ thống và không có tổn thất vật liệu, cân bằng vật liệu như sau: khối lượng vật liệu vào hệ thống bằng khối lượng sản phẩm ra khỉ hệ thống: ∑Gvào = ∑Gra (2.7) Trong đó: ∑Gvào – tổng khối lượng vật liệu vào, tính bằng kg. ∑Gra – tổng khối lượng vật liệu ra, tính bằng kg. Cân bằng vật liệu được sử dụng để tính toán số lượng vật liệu trong các quá trình khác nhau (bốc hơi, cô đặc, pha loãng, để thiết kế các quá trình chế biến, tính toán các công thức chế biến thực phẩm, các thành phần sau khi phối trộn, tính hiệu suất quá trình phân tách,…) 3.2. Phương trình cân bằng khối lượng Xét một quá trình công nghệ chế biến thực phẩm Không khí ẩm (C) Không khí (A) Không khí Ẩm (E) bột nhào ẩm (W) bột nhào đã nướng (D) Lò nướng Ẩm (E) Hình 2.1 Sơ đồ dòng vật liệu trong quá trình nướng bánh trong lò nướng Cân bằng khối cho toàn bộ quá trình là: W + A = D + C Cân bằng khối cho không khí ẩm: A+E=C Cân bằng khối cho sản phẩm (chất rắn): W = E + D Ví dụ: Tính cân bằng khối lượng tổng vật liệu và cân bằng khối lượng cho một cấu tử của hỗn hợp các thành phần dinh dưỡng tạo nên 25 kg xúc xích bò có hàm lượng chất béo 30%. Nguyên liệu sử dụng để chế biến gồm thịt bò tươi và mỡ bò. Thành phần hóa học của thịt bò: 18% protein, 12% lipid, 68% nước; của mỡ bò: 78% lipid, 12% nước và 5% protein. Giải 28 Gọi M – khối lượng thịt bò, kg F – khối lượng mỡ bò, kg Mỡ bò (F): 78% lipid, 12% nước và 5% protein Thịt bò (M): 68% lipid, 12% nước và 18% Máy băm, nhồi Xúc xích (S): 25Kg, 30% lipid Hình 2.2 Sơ đồ dòng vật liệu trong quá trình sản xuất xúc xích Cân bằng khối lượng tổng vật liệu: M + F = 25 Cân bằng khối lượng đối với lipd: 0,12M + 0,78F = 0,325 Thay M = 25 – F vào phương trình cân bằng đối với lipid, ta có: 0,12 (25 – F) + 0,78F = 7,5 Từ đây ta tìm được F = 6,82 kg; M = 25 – 6,82 = 18,18 kg 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 4.1. Định luật bảo toàn năng lượng Cân bằng năng lượng được thiết lập dựa trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng. Tổng năng lượng đưa vào hệ thống bằng tổng năng lương thoát ra khỏi hệ thống. Năng lượng trong các quá trình chế biến thực phẩm dưới dạng nhiệt hoặc cơ. Xét riêng nhiệt năng, có thể phát biểu: tổng lượng nhiệt vào bằng tổng lượng nhiệt ra. 4.2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát, đối với nhiệt năng như sau: ∑Qvào = ∑Qra (2.8) Trong quá trình tính toán, nếu nhiệt tổn thất rất nhỏ thì có thể bỏ qua nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, kết quả thu được là gần đúng. Để có kết quả chính xác thì cần phải tính bù lượng nhiệt tổn thất. 5. CƠ HỌC CHẤT LỎNG 5.1. Chất lỏng và đặc tính của chất lỏng 5.1.1. Định nghĩa và phân loại chất lỏng - Định nghĩa Chất lỏng, theo nghĩa rộng của từ này, là những vật liệu có tính dễ chảy (dễ di động), không có hình dạng nhất định, hình dạng của nó phụ thuộc vào bình chứa nó và sự biến đổi của tính chất vật lý của chất lỏng theo các phương là như nhau. Khi chất lỏng ở trạng thái cân bằng thì chỉ có lực pháp tuyến tác dụng lên nó mà không có lực tiếp tuyến. - Phân loại chất lỏng 29 + Theo tính chất vật lý, chất lỏng được chia làm hai loại: * Chất lỏng giọt (còn gọi là chất lỏng nén được ít) là chất lỏng mà thể tích của nó thay đổi không đáng kể khi bị nén ép. Ví dụ: nước, dầu thực vật,…(tức là các loại chất lỏng theo nghĩa thông thường) * Chất lỏng dạng khí là chất lỏng mà thể tích của nó thay đổi nhiều khi bị nén ép. Ví dụ: không khí, các chất khí, hơi nước. + Theo nghiên cứu những vấn đề lý thuyết: người ta đưa ra một loại chất lỏng hoàn toàn không có thực mà chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết là chất lỏng lý tưởng. Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng hoàn toàn không có lực ma sát trong (nội ma sát) giữa các phần tử chất lỏng khi chúng chuyển động, tức là không có độ nhớt. Trong thực tế, tất cả các loại chất lỏng đều có lực ma sát trong khác không, tức là luôn có độ nhớt; người ta gọi đó là chất lỏng thực hay là chất lỏng nhớt. 5.1.2. Vai trò của ứng suất trong dòng chảy Sự chảy của chất lỏng sẽ xuất hiện khi có một lực tác dụng lên chất lỏng. Khi lực tác dụng theo phương vuông góc với bề mặt ta có thể gọi là áp suất, đơn vị N/m2 hay Pa. Khi lực tác dụng song song với bề mặt ta có ứng suất cắt, đơn vị N/m2 hay Pa. Khi ứng suất cắt tác dụng lên chất lỏng làm chất lỏng bị biến dạng. Ảnh hưởng của ứng suất cắt lên các vật liệu là yếu tố cơ bản để phân loại các loại vật liệu thực phẩm như: rắn, lỏng, khí, bán lỏng. - Vật liệu đàn hồi: khi ứng suất cắt tác dụng lên vật liệu đàn hồi sẽ làm vật liệu biến dạng, tốc độ biến dạng là hàm số của ứng suất cắt (theo quan hệ đường thẳng). Khi loại bỏ lực tác dụng, vật liệu sẽ trở lại dạng ban đầu. - Vật liệu ít đàn hồi: khi ứng suất cắt tác dụng lên vật liệu sẽ làm vật liệu biến dạng, tốc độ biến dạng là hàm số của ứng suất cắt (không theo quan hệ đường thẳng). Khi loại bỏ lực tác dụng, chỉ một phần vật liệu trở lại dạng ban đầu. Loại vật liệu này như: bơ, phomat,… - Chất lỏng: khi bị ứng suất cắt tác dụng, vật liệu bị biến dạng, tốc độ biến dạng là hàm số của ứng suất cắt (có thể tuân theo theo quan hệ đường thẳng-chất lỏng Newton hoặc theo quan hệ hàm số mũ-chất lỏng phi Newton). Khi loại bỏ ứng suất, vật liệu không có khả năng trở lại dạng ban đầu. Khi tác dụng lực theo phương vuông góc với bề mặt, vật liệu không bị biến dạng. 5.1.3. Tính chất đặc trưng của chất lỏng Các tính chất của chất lỏng có ảnh hưởng lớn đến việc vận chuyển chất lỏng, ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng cho dòng chảy, đặc tính dòng chảy. - Khối lượng riêng và tỷ trọng - Khối lượng riêng (còn gọi là mật độ, ký hiệu ρ) là khối lượng trong một đơn vị thể tích. Trong hệ SI, khối lượng riêng có đơn vị là [kg/m3] - Tỉ trọng là tỉ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng cần xác định với khối lượng riêng của một chất nào đó, thường là nước ở 4oC. 30 Có thể xác định khối lượng riêng và tỷ trọng bằng Brix kế (đơn vị đo là oBx), Beaume kế (đơn vị đo là oBe). Quan hệ giữa oBe và tỷ trọng (d) theo công thức: - Trong trường hợp tỷ trọng d > 1, ta có quan hệ: o Be = 145 − 145 d (2.9) - Trong trường hợp tỷ trọng d < 1, ta có quan hệ: 140 − 130 d Be = o (2.10) - Độ nhớt của chất lỏng Chất lỏng không biến dạng thuận nghịch sẽ chảy khi có một lực tác dụng, vận tốc chảy càng tăng khi lực tác dụng càng tăng. Khi các lớp chất lỏng chuyển động, giữa chúng có lực ma sát làm cho cơ năng chuyển thành nhiệt năng. Sự ma sát này gọi là ma sát nội hoặc ma sát trong vì nó xuất hiện trong nội bộ chất lỏng. Tính chất nảy sinh ma sát trong, hay ứng suất tiếp giữa các lớp chất lỏng chuyển động (hình 2.1) gọi là tính chất nhớt. Tính nhớt là tính chất của chất lỏng chống lại sự dịch chuyển. Vì vậy khái niệm tính chất nhớt liên quan đến ma sát trong. Tính chất nhớt biểu hiện sức dính phân tử của chất lỏng. Khi nhiệt độ tăng, mỗi phân tử dao động mạnh hơn quanh vị trí trung bình nên sức dính, hay độ nhớt kém đi. Mọi chất lỏng đều có tính nhớt và điều này rất quan trọng vì độ nhớt là nguyên nhân gây ra sự tổn thất năng lượng khi chất lỏng chuyển động. Các chất lỏng khác nhau sẽ chảy với tốc độ khác nhau với cùng một lực tác dụng. Ta xét sự chuyển động của chất lỏng (hình 2.3.). Giả sử chất lỏng chuyển động thành các lớp song song dọc theo một thành phẳng (chuyển động tầng). Các lớp khác nhau chuyển động với lưu tốc (vận tốc) u khác nhau; lưu tốc u phân bố theo đường cong u = u(y) trên phương ngang (vuông góc với các lớp chất lỏng). Do tác dụng hãm lại của thành rắn cho nên ngay trên thành u = 0, u tăng lên theo khoảng cách so với thành. y ∆F u +du dy u u Xét hai lớp cách nhau một khoảng là dy, lưu tốc chuyển động tương đối của 2 lớp chất lỏng là du. Khi đó giữa hai lớp sẽ phát sinh lực ma sát trong được xác định theo luật ma sát của Newton như sau: Định luật ma sát trong của Newton được viết như sau: Lực ma sát giữa các lớp chất lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc giữa các lớp đó. Hình 2.3. Sự chuyển động của lớp chất lỏng 31 Pms = µF du dy (2.11) Nếu ta gọi τ là ứng suất ma sát tiếp tuyến, tức là lực ma sát (Pms) tính trên đơn vị diện tích tiếp xúc (F). Theo định luật ma sát của Newton, ứng suất ma sát τ được tính như sau: τ = Pms du =µ F dy (2.12) Trong công thức trên: Pms - lực ma sát trong giữa các lớp chất lỏng, N F - diện tích tiếp xúc giữa các lớp chất lỏng, m2 τ - ứng suất ma sát tiếp tuyến, N/m2 du/dy - gradien lưu tốc, tức là sự biến thiên của lưu tốc chuyển động chất lỏng trên một đơn vị chiều dài khoảng cách giữa 2 lớp chất lỏng, m2/s.m μ - hệ số tỷ lệ, là một hệ số vật lý đặc trưng cho chất lỏng, được gọi là hệ số nhớt động lực (độ nhớt động lực). Trong hệ SI, đơn vị đo hệ số nhớt động lực μ là (N.s)/m2 = Kg/(m.s) = 1Pa.s. Trong hệ CGS, đơn vị đo của μ là Poise (p). 1p = g/cm.s Thực tế, người ta hay sử dụng đơn vị centipoise (cp). 1cP = 0,01 P Quan hệ giữa đơn vị đo độ nhớt theo hệ SI và hệ CGS là: 1 (N.s)/m2 = 10 p = 103 cp (centipoise) Nước thuộc loại chất lỏng có độ nhớt nhỏ nhất: ở 200C, μ ≈ 0,001 P. - Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến độ nhớt chất lỏng: Hệ số nhớt μ thay đổi trong một phạm vi rộng theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng lên thì trị số μ của chất lỏng giọt giảm xuống, còn của chất khí thì tăng lên. Độ nhớt của các chất lỏng thực chỉ bị ảnh hưởng bởi áp suất khi áp suất thay đổi ở phạm vi lớn còn khi áp suất thay đổi ít thì xem như độ nhớt không bị ảnh hưởng. - Cùng với hệ số nhớt động lực μ, người ta còn biểu thị độ nhớt bằng hệ số nhớt động học, ký hiệu là ν, được xác định như sau: ν= µ ρ (2.13) Ở đây: ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 Trong hệ SI, đơn vị đo của ν là m2/s. Trong hệ CGS, ν có đơn vị đo là stokes, ký hiệu là St; 1 St= 1cm2/s = 10-4m2/s. Nước ở 200C có ν ≈ 0,01St; không khí ở điều kiện bình thường có ν ≡ 0,157 St (lớn hơn 15 lần so với nước). Nói chung, hệ số ν của các khí lớn hơn của chất lỏng (ρ của khí bé hơn 1000 lần so với chất lỏng) và tăng lên cùng với nhiệt độ. Độ nhớt được đo bằng các dụng cụ gọi là nhớt kế như nhớt kế Engler, nhớt kế 32 Saybolt… dùng cho chất lỏng, nhớt kế Schultze dùng cho khí. Chất lỏng tuân theo luật ma sát trong của Newton (2.11), trong đó μ là độc lập với du/dy, được gọi là chất lỏng Newton. Các chất lỏng thực phẩm như mật ong, nước quả, sữa tươi,… được coi là chất lỏng Newton. Các chất lỏng không tuân theo định luật Newton được gọi là chất lỏng phi Newton, chẳng hạn như bột nhão,… Trong phạm vi giáo trình ta chỉ xét các chất lỏng Newton. - Tính dãn nở của chất lỏng + Tính nén được của chất lỏng được đặc trưng bằng hệ số nén thể tích βv βn = − 1 ∆V V ∆p (2.14) Ở đây : V- thể tích ban đầu, m3 ∆V- lượng biến đổi của thể tích tương ứng với lượng thay đổi ∆p của áp suất; ∆p - lượng áp suất thay đổi, N/m2. Đơn vị đo của βv là (Pa)-1 . Pa (Pascal) là đơn vị đo áp suất, 1Pa = 1 N/m2. Hệ số nén thể tích của các chất lỏng (thành giọt) thay đổi rất ít khi áp suất thay đổi; đối với nước có thể lấy trung bình βv = 5 . 10-10 (Pa)-1; các chất lỏng khác có trị số βv gần với trị số này. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua tính nén được của chất lỏng, tức xem ρ, γ không phụ thuộc vào áp suất. + Sự dãn nở bằng nhiệt được đặc trưng bằng hệ số dãn nở vì nhiệt βn. βv = 1 ∆V V ∆t (2.15) Trong đó: ∆V- lượng biến đổi của thể tích chất lỏng khi nhiệt độ tăng thêm ∆t. ∆t - khoảng tăng nhiệt độ so với ban đầu, oC Với nhiệt độ 10 – 20oC, áp suất 105 Pa, có thể lấy gần đúng: βn ≈ 0,0001 (oC)-1 Khả năng thay đổi mật độ của chất lỏng khi nhiệt độ thay đổi được ứng dụng để tạo nên dòng đối lưu trong các nồi hơi, hệ thống sưởi,… Khí và hơi có độ chịu nén (βn, và βv) lớn tức ρ và γ thay đổi nhiều theo nhiệt độ và áp suất. 5.2. Thủy tĩnh học Thủy tĩnh học nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng ở trạng thái yên tĩnh tức là ở trạng thái không có chuyển động tương đối giữa các phần tử chất lỏng. 5.2.1. Áp suất thủy tĩnh Áp suất thủy tĩnh là đặc trưng quan trọng của chất lỏng ở trạng thái cân bằng. Lấy tách ra từ một khối chất lỏng cân bằng một thể tích chất lỏng V được giới hạn bởi mặt S. Thể tích này được cân bằng bởi hệ thống các lực. Cắt thể tích V làm 2 phần (tưởng tượng); mỗi phần tác dụng lên phần kia bằng hệ thống lực pháp tuyến P đặt lên diện tích mặt cắt phẳng S. Trên mỗi phân tố diện tích ∆S lực tác dụng là ∆P. ∆P được gọi là áp lực thủy tĩnh lên diện tích ∆S 33 ∆S Tỷ số p tb = ∆P ∆P được gọi là áp suất thủy ∆S tĩnh trung bình trên diện tích ∆S S Hình 2.4. Mô tả hệ áp lực thủy tĩnh trong chất lỏng Đại lượng lim ∆P =0 được gọi là áp suất thủy tĩnh tại một điểm hay thường ∆s → 0 ∆S gọi là áp suất thủy tĩnh. Đơn vị đo của áp suất thủy tĩnh cũng như áp suất nói chung là Pascal (Pa), 1Pa=1N/m2 Ngoài ra người ta còn dùng các đơn vị đo áp suất khác như atm (atmosphere vật lý), at (atmosphere kỹ thuật), Psi… 1 atm = 1,01. 105 N/m2 = 10,33 mH2O = 760 mmHg = 1,033 kG/cm2 1 at = 9,81. 104 N/m2 = 10 mH2O = 735,6 mmHg = 1 kG/cm2 1N/m2 = 1Pa = 7,5.10-3mmHg = 10,2.106kG/cm2 = 1,02.10-4 mH2O 1Psi = 0,07 at ; 1bar = 1,019 at ( 1MPa = 10,2 at) * Hai tính chất của áp suất thủy tĩnh : - Áp suất thủy tĩnh luôn vuông góc với mặt tác dụng và hướng vào mặt đó. - Áp suất thủy tĩnh tại một điểm bất kỳ trong chất lỏng có giá trị như nhau theo mọi phương. 5.2.2. Sự cân bằng của chất lỏng không nén được Phương trình cơ bản của thủy tĩnh học p = p0 + ρgh = p0 + γh (2.16) Trong đó: p0 - áp suất tác dụng lên mặt thoáng của chất lỏng, N/m2 h - độ sâu của điểm đang xét (Tính từ mặt thoáng chất lỏng ), m ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 γ - trọng lượng riêng của chất lỏng, N/m3 g - Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 p - áp suất thủy tĩnh tại điểm đang xét, N/m2 . Nếu ta đặt: z0 - Chiều cao hình học của điểm ở mặt thoáng so với mặt phẳng được chọn làm gốc, m. z - Chiều cao hình học của điểm đang xét trong khối chất lỏng so với mặt phẳng được chọn làm gốc, m. 34 z0 - z = h là độ sâu của điểm đang xét so với mặt thoáng, m Phương trình trên ( 2.16) có thể viết dưới dạng: Ở đây: z+ p p = z0 + 0 γ γ z+ p = const hay γ (2.17) zγ + p = const (2.18) p = h p - chiều cao áp suất hay chiều cao pezômét ứng với áp suất γ p là chiều cao của cột chất lỏng có khả năng tạo ra một áp suất tuyệt đối p Phương trình cơ bản của thủy tĩnh học cho phép xác định áp suất thủy tĩnh tại những điểm khác nhau trong chất lỏng ở trạng thái cân bằng dưới tác dụng của trọng lực. Trong một khối chất lỏng đồng chất ở trạng thái cân bằng, những điểm nằm trên cùng một mặt phẳng ngang sẽ có cùng áp suất thủy tĩnh. Áp suất thủy tĩnh phụ thuộc vào khối lượng riêng và độ sâu khối chất lỏng. Trong một bình chứa chất lỏng, càng xuống phía đáy bình thì áp suất thủy tĩnh càng tăng, ở đáy bình chịu áp suất thủy tĩnh lớn nhất. Áp suất này có ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi của chất lỏng. Nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng ở đáy nồi luôn lớn hơn nhiệt độ sôi lớp chất lỏng ở bề mặt. Ví dụ: Một thùng chứa sữa đã thanh trùng, áp suất không khí trên mặt thoáng lớp sữa là 100 kPa. Sữa này có khối lượng riêng là 1.032 kg/m3. Hãy xác định áp suất ở độ sâu 2 m tính từ bề mặt lớp sữa. Giải Áp dụng phương trình (2.16) để tính áp suất ở độ sâu 2 m trong khối sữa. Ta có: p0 = 100 kPa = 100000N/m2; ρ = 1.032 kg/m3 h = 2 m; g = 9,81 m/s2 p = 100.000 + 1.032x9,81x2 = 120.300 N/m2 = 120.300 Pa Mặt đẳng áp Mặt đẳng áp là mặt tưởng tượng được dựng trong chất lỏng mà tại mọi điểm của nó áp suất có giá trị như nhau. Vì khối chất lỏng đang xét là đồng chất, đứng yên nên từ (2.17) ta thấy, giả sử p và p0 cùng thuộc mặt đẳng áp tức p = p0 thì z = z0. Vậy, mặt đẳng áp đồng thời là mặt đẳng thế và ngược lại. Người ta cũng chứng minh được: mặt đẳng áp là những mặt phẳng nằm ngang. Kết luận này cũng đúng cho 2 trường hợp sau : - Mặt tự do (mặt thoáng) của chất lỏng, trên đó p = p0 (áp suất ngoài), nói riêng p0 = pa (áp suất khí quyển). - Bình thông nhau chứa cùng một thứ chất lỏng. 5.2.3. Độ chênh áp suất thủy tĩnh tại 2 điểm Viết phương trình cơ bản của thủy tĩnh học tại hai điểm 1 và 2 ta có (theo 2.16): p1 + γz1 = p2 + γz2 35 Từ đó p2 – p1 = γ (z 1 – z2 ) Nếu điểm 1 là điểm nằm ở mặt thoáng (có áp suất p0, độ cao z0) và điểm 2 là một điểm bất kỳ nằm trong khối chất lỏng (áp suất p, độ cao z), chênh nhau độ cao h, ta có : p = p0 + ρgh = p0 + γh Ở đây: h = z 1 – z2 , là độ sâu tính từ mặt thoáng của điểm ta xét. Như vậy, áp suất thủy tĩnh tại một điểm được hợp thành từ 2 phần : - Áp suất ngoài p0 (như nhau đối với mọi điểm) - Áp suất trọng lượng chất lỏng γh ( thay đổi theo h ) P0 o h o 1 P 2 h z Z0 z Mặt phẳng Oxy Hình 2.5. Mô tả tính áp suất thủy tĩnh trong chất lỏng Nguyên lý Pascal Giả sử làm tăng áp suất tại điểm 1 lên một lượng là ∆p mà không làm phá vỡ tính cân bằng của khối chất lỏng thì áp suất tại điểm 2 trong chất lỏng lúc này sẽ là p2* . Theo phương trình cơ bản của thủy tĩnh học viết cho 2 điểm bất kỳ, theo (2.17) ta có: Từ đó, ta được: (p1+∆p) + γz1 = p2* + γz2 (2.19) p2* = (p1+∆p) + γz1 - γz2 (2.20) Mặt khác, từ (2.18) ta có: p2 = p1 + γz1 - γz2 (2.21) So sánh (2.19) và (2.20), ta thấy: p2* = p2 + ∆p, tức là áp suất tại điểm 2 cũng tăng lên một lượng là ∆p. Từ đó phát biểu nguyên lý Pascal như sau: Trong thể tích chất lỏng trọng lực đồng chất, cân bằng, nếu tăng áp suất tại một điểm bất kỳ lên một lượng nào đó thì lượng áp suất đó sẽ được truyền nguyên vẹn đến tất cả các diểm khác. Nguyên lý Pascal có nhiều ứng dụng, chẳng hạn trong máy nén thủy lực, trong máy kích thủy lực… 5.2.4. Nguyên lý bình thông nhau Hai bình thông nhau cùng để hở, chứa 2 chất lỏng khác nhau không tan trong nhau, thì độ cao chất lỏng ở mỗi bình từ mặt phân chia hai chất lỏng đến mặt thoáng sẽ tỉ lệ nghịch với khối lượng riêng của chất lỏng. 36 ρ1 h2 = ρ 2 h1 (2.22) Nếu chất lỏng chứa ở hai bình thông nhau cùng một loại, thì độ cao của 2 mặt thoáng của 2 bình là bằng nhau. 5.2.5. Áp suất tuyệt đối, áp suất dư và áp suất chân không -Áp suất tuyệt đối (pt ) còn gọi là áp suất toàn phần, là áp suất có tính gộp cả áp suất ngoài p0, được tính theo công thức (2-16): pt = p0 + ρgh = p0 + γh (2.23) Thực tế thường gặp áp suất ngoài là áp suất khí quyển (pa), tức là p0 = pa, nên: pt = pa + ρgh = pa + γh (2.24) -Áp suất dư (pdư) hay áp suất biểu kiến là hiệu số giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển, được tính bằng công thức sau: pdư = pt - pa (2.25) pdư gọi là áp suất dư . - Trường hợp pt < pa thì ta có pa – pt = pck . Và pck gọi là áp suất chân không hay độ chân không. Áp suất chân không hay độ chân không là hiệu số của của áp suất khí quyển và áp suất tuyệt đối pck = pa – pt (2.26) Dụng cụ đo áp suất là áp kế. Áp kế dùng để đo áp suất dư gọi là áp kế áp lực (thường gọi là áp kế) và áp kế dùng để đo áp suất chân không gọi là chân không kế. Trong thực tế vì pa đã biết nên thường người ta đo pck, pdư là đủ. Các giá trị pck, pdư đọc trực tiếp trên các dụng cụ đo nên còn gọi là áp suất biểu kiến. Dụng cụ đo áp suất có nhiều loại, song về nguyên tắc có thể chia thành: Áp kế cơ khí và áp kế chất lỏng. Áp kế chất lỏng được chia thành 3 loại: - Áp kế để đo áp suất dư, đo hiệu số áp suất giữa áp suất tuyệt đối của môi trường cần đo và áp suất khí quyển. - Chân không kế để đo độ chân không, đo hiệu số áp suất giữa áp suất khí quyển và áp suất tuyệt đối của môi trường cần đo có trị số nhỏ hơn 1 at. - Áp kế vi sai để đo hiệu số áp suất tại hai điểm bất kỳ của môi trường cần đo. Áp kế có nhiều dạng và nhiều loại khác nhau tùy lĩnh vực sử dụng. 5.3. Thủy động học Thủy động học của chất lỏng có nhiệm vụ chủ yếu là nghiên cứu các qui luật về chuyển động của chất lỏng, trước hết là nghiên cứu các đại lượng đặc trưng cơ bản của chuyển động chất lỏng như vận tốc của dòng và áp suất trong dòng, từ đó đưa ra những ứng dụng của nó trong thực tế sản xuất. 37 5.3.1. Lưu lượng, lưu tốc (vận tốc) trung bình của dòng chất lỏng Xét chất lỏng chuyển động trong ống dẫn có tiết diện không đổi và chất lỏng choán đầy ống. - Lưu lượng của chất lỏng là lượng chất lỏng chảy qua một tiết diện ngang bất kỳ của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng được tính theo các đơn vị : m3/s, m3/h, l/h …Lưu lượng nói trên còn gọi là lưu lượng thể tích.. Ngoài ra lưu lượng còn được biểu diễn theo khối lượng [kg/s], trọng lượng [N/s] (thường dùng cho chất khí). Vận tốc của các phần tử trên tiết diện ngang của ống thì khác nhau. Ở tâm có vận tốc lớn nhất, càng gần thành ống vận tốc càng giảm và ở sát thành ống có vận tốc bằng không vì ma sát. Vì vậy để thuận tiện cho tính toán, người ta chấp nhận rằng tại mọi điểm trên tiết diện ống, vận tốc đều bằng nhau và gọi vận tốc đó là vận tốc trung bình (lưu tốc trung bình ) - Lưu tốc trung bình (Vận tốc trung bình) của chất lỏng chảy trong ống là lượng thể tích chất lỏng chảy qua một đơn vị diện tích tiết diện ống trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu là ω, đơn vị tính là: m3/m2.s hay m/s ω= V f (2.27) Trong đó: V - lưu lượng thể tích, m3/s f - diện tích tiết diện ống dẫn, m2 Vận tốc chất lỏng có ảnh hưởng đến trở lực của đường ống. Vận tốc càng lớn, trở lực càng tăng, do đó tốn năng lượng của bơm khi vận chuyển chúng. Ngược lại nếu vận tốc bé, để đảm bảo lưu lượng thì cần đường kính ống lớn, làm tăng giá thành xây dựng. Vì vậy trong thực tế xây dựng và vận hành, người ta đưa ra một số giá trị vận tốc giới hạn cho một vài trường hợp để tham khảo: Chất lỏng giọt trong ống dẫn 10000 - Trạng thái chảy rối ổn định. Re = 10000 gọi là Re tới hạn trên, vận tốc chuyển động ứng với trường hợp này gọi là vận tốc tới hạn trên. Trong thực tế ta thường gặp chuyển động rối: nước, khí chuyển động trong ống dẫn, nước chảy trong kênh…Chuyển động dòng chỉ gặp ở những dòng chảy có vận tốc rất bé, đường kính ống dẫn rất bé, chất lỏng có độ nhớt lớn. Trong công thức tính số Re và các công thức khác có sự tham dự của đường kính d của ống dẫn. Đối với ống hay rãnh có tiết diện không phải là tròn thì người ta biểu thị đường kính qua một khái niệm mới là bán kính thủy lực. Nếu gọi: Dtđ là đường kính tương đương của ống dẫn và Rtl là bán kính tương đương, thì: Dtđ = 4Rtl (2.29) 39 R tl = Với: f uot χ (2.30) f ướt - diện tích mặt cắt ướt, m2 χ - chu vi ướt của ống dẫn hay rãnh, m 5.3.3. Phương trình dòng liên tục (sự bảo toàn khối lượng dòng chất lỏng) Xét một ống dẫn có tiết diện ngang thay đổi, bên trong có chất lỏng chảy qua (hình 2.4) liên tục thỏa mãn các điều kiện: - Chất lỏng choán đầy ống, không bị đứt đoạn, không có bọt khí. - Ống dẫn hoàn toàn kín và chất lỏng hoàn toàn không bị nén ép. Khi chất lỏng chảy từ tiết diện 1-1 sang tiết diện 2-2, thì vận tốc chất lỏng thay đổi nhưng lưu lượng chất lỏng chảy qua mỗi tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian là một đại lượng không đổi (theo định luật bảo toàn khối lượng). Gọi: G1, G2 - lưu lượng khối lượng (khối lượng chất lỏng chảy qua bề mặt tiết diện trong một đơn vị thời gian) tại các tiết diện 1-1 và 2-2, kg/s f1 , f2 - diện tích của tiết diện 1-1 và 2-2, m2 ω1, ω2 - vận tốc chất lỏng tại các tiết diện 1-1 và 2-2, m/s ρ1, ρ2 - khối lượng riêng chất lỏng các tiết diện 1-1 và 2-2, kg/m3 Ta có: Hay : G1 = G2 = const (2.31) V1ρ1 = V2ρ2 = const (2.32) ω1f1ρ1 = ω2f2ρ2 = const (2.33) 2 z f2 ω2 f1 ω1 1 1 2 z2 z1 Hình 2.6. Mô tả chuyển động của dòng chất lỏng Các phương trình (2.31), (2.32) và (2.33) là phương trình dòng liên tục của dòng chất lỏng. Đối với chất lỏng không bị nén ép thì khối lượng riêng không đổi: ρ1 = ρ2 thì phương trình (2.33) có dạng: ω1f1 = ω2f2 = const 40 (2.34) Như vậy, trong dòng chảy ổn định, lưu lượng chất lỏng chảy qua các mặt cắt đều bằng nhau. Đối với ống có phân nhánh thì lưu lượng chất lỏng chảy qua ống chính bằng tổng lưu lượng chảy qua các ống nhánh. G1 = G2 + G3 5.3.4. Phương trình Bernoulli (sự bảo toàn năng lượng dòng chất lỏng) - Đối với chất lỏng lý tưởng, chuyển động không có ma sát, nghĩa là không có mất mát năng lượng, phương trình Bernoulli viết cho hai mặt cắt 1-1 và 2-2 có dạng : ω ω p p z1 + 1 + 1 = z 2 + 2 + 2 γ γ 2g 2g 2 2 (2.35) Vì hai mặt cắt tùy ý chọn nên có thể viết phương trình Bernoulli dưới dạng tổng quát như sau : z+ p ω2 + = const γ 2g (2.36) Trong đó: z1, z2 - độ cao trọng tâm mặt cắt 1-1 và 2-2 so với mặt phẳng gốc, m. p1, p2 - áp suất tại các mặt cắt 1-1 và 2-2, N/m2 ω1, ω2 - vận tốc trung bình tại các mặt cắt 1-1 và 2-2, m/s γ - trọng lượng riêng của chất lỏng, N/m3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 Ý nghĩa của các thừa số trong phương trình Bernoulli: z - độ cao so với mặt phẳng được chọn làm gốc, còn gọi là thế năng riêng hình học, m. p - chiều cao áp suất thủy tĩnh hay chiều cao pezomet, còn gọi là thế năng γ riêng áp suất, bằng áp suất của cột chất lỏng đè lên điểm ta xét, m ω2 - thế năng riêng vận tốc hay thế năng riêng động lực, biểu thị động năng 2g chất lỏng chuyển động, m Tổng số 3 số hạng z+ p ω2 trong phương trình Bernoulli biểu thị năng + γ 2g lượng riêng toàn phần của dòng chất lỏng. Như vậy, ta có thể phát biểu định luật Bernoulli như sau: Năng lượng riêng toàn phần của chất lỏng lý tưởng chuyển động ổn định bằng tổng của thế năng riêng hình học, thế năng riêng áp suất và thế năng riêng vận tốc và là một số không đổi. - Đối với chất lỏng thực, do có tính nhớt nên khi chuyển động thì sinh ra lực ma sát trong làm cản trở chuyển động. Muốn khắc phục sức cản đó, chất lỏng thực phải 41 tiêu hao một phần năng lượng trong dòng chảy. Do đó, năng lượng toàn phần của dòng chảy sẽ giảm dần theo chiều dài của ống dẫn. Nếu ta gọi phần năng lượng của dòng chảy bị giảm đi khi chất lỏng thực chuyển động từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 là hm thì ta có : p1 ω1 p ω + = z2 + 2 + 2 + hm γ 2g γ 2g 2 z1 + 2 (2.37) Phương trình (2.31) là phương trình Bernoulli đối với chất lỏng thực khi chảy qua hai mặt cắt bất kỳ. Và phương trình tổng quát có dạng: z+ p ω2 + h m = const + γ 2g (2.38) Ở đây: hm - thế năng riêng mất mát, m. Đối với một tiết diện ngang bất kỳ của ống dẫn, trong đó có chất lỏng thực chảy qua khi chế độ chảy ổn định thì năng lượng riêng toàn phần bằng tổng của thế năng riêng hình học, thế năng riêng áp suất, thế năng riêng vận tốc và thế năng riêng mất mát và là một số không đổi 5.3.5. Sự tổn thất áp suất của dòng chất lỏng (Trở lực của dòng chất lỏng) Trong phương trình Bernoulli viết cho chất lỏng thực, số hạng hm là phần năng lượng tiêu hao để khắc phục sức cản chuyển động của chất lỏng. Đại lượng đó còn gọi là trở lực hay tổn thất cột nước. Trở lực do ma sát của chất lỏng lên thành ống (kí hiệu hms). Trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống như đột thu, đột mở, các van, khuỷu… kí hiệu hcb. Khi đó trở lực trên toàn bộ đường ống là: hm = hms + hcb Trong đó: h ms = ξ ms ω2 ; 2g h cb = Σξcb ω2 2g (2.39) ξms : hệ số trở lực ma sát, không có đơn vị. ξcb : hệ số trở lực cục bộ, không có đơn vị. + Trở lực ma sát: Theo thực nghiệm, trở lực ma sát bằng sự giảm áp suất (∆p) dọc theo chiều dài ống dẫn, tỉ lệ thuận với chiều dài ống dẫn, vận tốc trung bình dòng chảy, độ nhớt, khối lượng riêng chất lỏng, độ nhám của ống dẫn và tỉ lệ nghịch với đường kính. h ms = ∆p ω2 l ω2 = ξ ms =λ ρg 2g d 2g (2. 40) λ : hệ số ma sát hay còn gọi là hệ số sức cản thủy học, không có đơn vị và được xác định bằng thực nghiệm. 42 λ phụ thuộc vào Re và độ nhám tương đối (n) của ống dẫn. n= ε ; r ε - chiều cao trung bình của gờ nhám; r - bán kính ống dẫn + Trở lực cục bộ: là do ma sát giữa các phần tử chất lỏng có tính nhớt và sự xáo trộn rối loạn tạo nên. Sự tổn thất này đặc biệt lớn tại những nơi mà dòng chảy bị thay đổi hướng hoặc thay đổi tiết diện đột ngột. h cb = Σξcb ω2 2g (2. 41) Trong đó, ξcb là hệ số trở lực cục bộ, phụ thuộc cấu tạo của các bộ phận gây ra trở lục cục bộ và mức độ xoáy của dòng chảy. Giá trị của ξcb cho mỗi trường hợp cụ thể có thể tra cứu trong Sổ tay các quá trình công nghệ và thiết bị hóa học hoặc các sách thủy lực học. Do các nhà máy hóa chất và nhà máy thực phẩm sử dụng một lượng khá lớn các loại ống dẫn, vì vậy cần phải tính toán chọn ống thích hợp; đồng thời có qui hoạch bố trí ống hợp lý, nhằm giảm tối đa vốn đầu tư xây dựng và chi phí vận hành. Trong việc chọn và bố trí ống dẫn cần chú ý đến phương hướng chung như sau để giảm trở lực: + Giảm chiều dài đường ống bằng cách chọn đường đi ngắn nhất. + Nên chọn ống dẫn có đường kính lớn. + Tăng nhiệt độ hoặc vận chuyển chất lỏng khi còn nóng để giảm độ nhớt. + Chọn ống dẫn ít bị ăn mòn để giảm độ nhám. + Giảm trở lực cục bộ như sử dụng các van, khóa, khuỷu.. đúng chỗ. 5.4. Sự chuyển động của chất lỏng qua lớp hạt Nghiên cứu thủy động lực lớp hạt nghiên cứu sự tác dụng của dòng khí hoặc lỏng lên các vật liệu dạng hạt nằm trong dòng khí/lỏng đó. Phụ thuộc vận tốc dòng khí hay lỏng và kích thước của hạt mà lớp hạt có thể đứng yên (quá trình lọc), lớp hạt có thể ở trạng thái lơ lửng (quá trình tầng sôi) hoặc lớp hạt bị dòng khí cuốn theo (quá trình vận chuyển bằng khí thổi). 5.4.1. Trở lực lớp hạt Khi chất lỏng (hay khí) đi qua lớp vật liệu dạng hạt ta có thể xem như nó chuyển động dọc theo các rãnh nằm dọc theo các hạt riêng biệt của môi trường xốp. Đặc trưng cơ bản của lớp hạt là bề mặt riêng và thể tích tự do (còn gọi là độ xốp). Bề mặt riêng là tổng các bề mặt của các hạt vật liệu tính trên một đơn vị thể tích do lớp hạt chiếm chỗ, thứ nguyên là [m2/m3]. Thể tích tự do là tỉ lệ giữa khoảng không gian tổng giữa các hạt và thể tích khối hạt chiếm, thứ nguyên là [m3/m3]. Bề mặt riêng và thể tích tự do của lớp hạt phụ thuộc vào hình dạng kích thước của hạt và cách xếp hạt trong thiết bị. 43 Khi dòng khí đi qua lớp hạt sẽ có tổn thất áp suất do trở lực của lớp hạt gây nên. Hay nói cách khác, trở lực của lớp hạt chính là độ giảm áp suất của dòng khí khi dòng khí đi qua lớp hạt. Tùy theo trạng thái hạt trong dòng khí mà công thức tính trở lực sẽ khác nhau. Trong trường hợp lớp hạt ở trạng thái tầng sôi trở lực đạt giá trị nhất định và giữ nguyên không đổi, khi đó trở lực lớp hạt là : ∆p = l(1-ε)(γ –γ0) (2.42) Trong đó : l - chiều cao lớp hạt , m ε - Thể tích tự do, m3/m3 γ ,γ0 - Trọng lượng riêng của hạt và của môi trường, N/m3. 5.4.2. Vận tốc thăng bằng, vận tốc lắng - Khi vận tốc dòng khí nhỏ hơn giá trị ω1 nào đó thì lớp hạt chưa chuyển động. Khi dòng khí đạt vận tốc ω1 thì lớp hạt có sự chuyển động, thể tích lớp hạt tăng. Trở lực đạt giá trị nhất định và giữ nguyên không đổi. Đó là trạng thái tầng sôi. Ở trạng thái này các hạt rắn lơ lửng và chuyển động hỗn loạn trong dòng khí giống như hiện tượng sôi của chất lỏng nên gọi là trạng thái tầng sôi hay còn gọi là trạng thái giả lỏng. Trong trạng thái tầng sôi trở lực của lớp hạt bằng trọng lượng của nó trong môi trường lỏng gây ra trạng thái tầng sôi đó. Vận tốc thăng bằng là vận tốc ứng với trạng thái tầng sôi. Trạng thái tầng sôi được duy trì trong giới hạn vận tốc ω1 đến ω2, trong đó ω2 gọi là giới hạn trên còn gọi là vận tốc kéo theo (còn gọi là vận tốc phụt, là vận tốc mà tại đó các hạt rắn bị dòng khí kéo ra khỏi thiết bị). Có thể tính vận tốc thăng bằng theo công thức sau: ω1 = Trong đó: Re h µ d hρ 0 Re h = (2.43) ω1d h ν Gọi ω là vận tốc làm việc của dòng khí thì tỉ số giữa ω và ω1 gọi là số tầng sôi. ϕ= ω ω1 (2.44) φ đặc trưng cho cường độ khuấy trộn của các hạt trong tầng sôi. Thực nghiệm cho thấy mức độ khuấy trộn mãnh liệt nhất ứng với số tầng sôi φ = 2. Khi φ tăng mạnh dẫn đến trạng thái sôi phân tầng. Ở trạng thái này trở lực của tầng sôi dao động và sự tiếp xúc giữa các hạt rắn với dòng khí không đều nên người ta tránh không để xảy ra. - Khi vật rơi trong chân không hoặc khi vật có kích thước lớn rơi trong không khí (hay môi trường lỏng) thì vận tốc rơi sẽ tăng theo thời gian (sức cản của môi trường không đáng kể), công thức tính là : ω = g.τ [m/s] 44 Tuy nhiên đối với vật có kích thước nhỏ (≤100 μm) thì sức cản của môi trường rất đáng kể. Do đó sau thời gian vật sẽ rơi với vận tốc không đổi. Vận tốc không đổi của vật rơi trong môi trường khí hay lỏng gọi là vận tốc lắng ω0 [m/s]. Từ định luật chung về trở lực tác dụng lên vật chuyển động trong môi trường khí và lỏng, người ta tính được vận tốc lắng: ω0 = 4gd h (ρ − ρ 0 ) 3ξρ0 (2.45) Trong đó ξ là hệ số trở lực, là một hàm của Re Công thức trên tính trong trường hợp khi nồng độ các hạt trong môi trường nhỏ, khi lắng các hạt không bị va chạm nhau, không có ma sát giữa các hạt tức là lắng tự do. Từ công thức trên ta thấy vận tốc lắng tự do của hạt trong môi trường lỏng, khí phụ thuộc vào chế độ chuyển động, nghĩa là phụ thuộc vào giá trị Re. Để đơn giản, khi tính ω0 người ta dùng phương pháp Liasenco như sau: *Trước tiên tính chuẩn số Archimède (Ar) Ar = d h3 ( ρ h − ρ 0 ) ρ 0 g µ02 (2.46) Trong đó : ρ0, ρh - Khối lượng riêng của môi trường, của hạt, kg/m3. μ0 - Độ nhớt môi trường, Ns/m2. Dh - đường kính hạt *Tùy theo giá trị Ar ta có giá trị của Re (Chế độ dòng) - Khi Ar ≤ 36 thì Re = Ar/18 (Chế độ quá độ) - Khi 36 84000 thì Re = 1,74.Ar 0,5 Từ giá trị của Re ta xác định ω0 *Xác định ω0 theo phương trình : ω0 = ϕ Re µ 0 d hρ 0 , m/s (2.47) φ: Hệ số hình dạng hạt. dh: Đường kính tương đương của hạt, m. d td = 1,243 G ρh (2.48) G - khối lượng của hạt, kg 45 5.5. Bơm chất lỏng 5.5.1. Định nghĩa bơm Muốn chất lỏng chuyển động từ thấp lên cao hay chuyển động dọc theo ống, mương máng nằm ngang, người ta phải dùng máy bơm, máy quạt cung cấp năng lượng cho chất lỏng, tạo nên sự chênh lệch áp lực để đẩy chất lỏng thành dòng chuyển động trong đó. Máy bơm là một loại máy thủy lực , nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện năng, thủy năng, vv… ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng , nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống. 5.5.2. Phân loại bơm Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa và o những đặc điểm như : nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước , dạng năng lượng làm chạy máy bơm , kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm ... Trong đó, thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm ; theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai nhóm : Bơm động lực và Bơm thể tích. - Bơm động lực: Trong buồng công tác của máy bơm động lực , chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đ ến cửa ra của bơm. Một số máy bơm thuộc loại này như sau: + Bơm cánh quạt (gồm bơm : li tâm, hướng trục , cánh chéo ): Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển. Loại bơm này thường có lưu lượng lớn , cột áp thấp (trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước) và hiệu suất tương đối cao. + Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh bánh xe công tác của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra bánh xe công tác . Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm , tiêu nước, cứu hỏa... ; - Bơm thể tích: Việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thể tích của không gian làm việc trong bơm. Khi thể tích của không gian làm việc trong bơm thay đổi tạo nên áp suất âm ở đầu hút và áp suất dương ở đầu đẩy, do đó tạo nên sự chuyển động của chất lỏng. Việc thay đổi thể tích trong bơm có thể do chuyển động tịnh tiến (bơm pittông) hoặc chuyển động quay (bơm rôto, bơm răng khía, bơm cánh trượt,bơm quả bàng, bơm lắc…) Bơm píttông: Píttông chuyển động tịnh tiến qua lại có chu kỳ trong buồng công tác để hút và đẩy chất lỏng . Loại bơm này tạo được cột áp cao , lưu lượng nhỏ nên trong nông nghiệp ít dùng, thường được dùng trong máy móc công nghiệp ; Bơm rô to : Dùng cơ cấu bánh răng hoặc bánh vít , cánh trượt đặt ở chu vi phần quay của bơm để đẩy chất l ỏng. Bơm này gồm có : bơm răng khía , bơm píttông quay , bơm tấm trượt, bơm vít, bơm pít tông quay , bơm chân không vòng nước ... Bơm rô to 46 có lưu lương nhỏ thường được dùng trong công nghiệp; Ngoài ra còn có rất nhiều loại bơm động lực và bơm thể tích khác được sử dụng trong thực tế sản xuất và đời sống . Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu loại máy bơm được dùng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm , đó là máy bơm ly tâm và bơm pittông. - Bơm đặc biệt: Bao gồm các loại bơm không có bộ phận dẫn động (động cơ điện, động cơ diezen..) mà dùng luồng khí hay hơi làm nguồn động lực để đẩy chất lỏng. Ví dụ: bơm tia, bơm sục khí, thùng nén, xiphông…. 5.5.3. Các thông số cơ bản của bơm Khi tính toán, đánh giá chất lượng bơm, người ta thường dựa vào các thông số đặc trưng chính gồm: năng suất (lưu lượng, Q), áp suất toàn phần (cột nước, H), công suất (N) và hiệu suất (η), số vòng quay (n) và độ cao hút nước cho phép (Hh)... Những thông số này, nhà máy chế tạo bơm đã ghi sẵn trên nhãn hiệu máy bơm. - Năng suất (có khi gọi là lưu lượng) của bơm là thể tích chất lỏng do bơm cung cấp được trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu: Q (m3/s; m3/h) - Công suất của bơm là năng lượng tiêu hao để bơm làm việc. + Công suất của động cơ (Nđc): Trên nhãn hiệu máy bơm thường ghi công suất động cơ, đó là công suất động cơ truyền cho trục của máy bơm (còn gọi công suất trục máy bơm). N đc = Q.H.ρ.g , 1000η kW (2.49) Trong đó: Q – lưu lượng của bơm, m3/s H – áp suất toàn phần của bơm, m ρ - khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 g – gia tốc trọng trường, m/s2 η - Hiệu suất chung của bơm (η = 0,6 - 0,85); η = ηQ.ηH.ηm.ηtđ ηQ - Hệ số hiệu dụng thể tích (ηQ = 0,90-0,96); ηH - Hệ số hiệu dụng thủy lực (ηH = 0,75-0,96); ηm - Hệ số hiệu dụng cơ học (ηm = 0,92-0,98); ηtđ - Hệ số hiệu dụng của bộ truyền động (ηtđ = 0,9-0,96); + Công suất lý thuyết (Nlt) là công suất máy bơm truyền cho chất lỏng để nâng một lưu lượng Q (m3/s) lên một độ cao H (m ). Công suất lý thuyết được tính như sau: Nlt = η.Nđc (2.50) 47 N lt = Q.H.ρ.g , kw 1000 (2.51) - Hiệu suất của bơm (η) Máy bơm nhận công suất do động cơ truyền tới (Nđc) nhưng một phần công suất này bị tiêu hao trong lúc máy bơm chuyển vận , phần còn lại mới là công suất truyền trực tiếp cho chất lỏng. Vậy hiệu suất của bơm : η = N lt N đc (2.52) Hiệu suất của bơm đặc trưng cho độ sử dụng hữu ích của năng lượng được truyền từ động cơ đến bơm, chuyển thành động năng để vận chuyển chất lỏng. - Vòng quay n là số vòng quay của trục động cơ máy bơm trong một phút, (v/p) - Áp suất toàn phần và chiều cao hút của bơm + Áp suất toàn phần của bơm (hay chiều cao cột áp, H) là năng lượng riêng do máy bơm truyền cho một đơn vị khối lượng chất lỏng đi qua nó. Vì nó được tính bằng chiều cao để nâng 1 kg chất lỏng nên nó không phụ thuộc vào độ nhớt và khối lượng riêng của chất lỏng. Khi hoạt động bơm cần khắc phục các trở lực: chiều cao đẩy chất lỏng, vận tốc dòng chảy, trở lực đường ống và bơm, lực quán tính. Xác định áp suất toàn phần H [m] của bơm để khắc phục các trở lực trên. Kí hiệu: p1, p2 - Áp suất trên bề mặt của bể hút và bể đẩy, N/m2. ω1, ω2 - Vận tốc chất lỏng khi vào ống hút và ra khỏi ống đẩy, m/s hm - Tổng tổn thất áp suất trên ống đẩy và ống hút, mH2O Ht - Chiều cao hình học mà bơm cần đưa chất lỏng lên, m; Bể chứa Bể hút Hđ h Ht Hh Bể hút Hình 2.7. Sơ đồ mô tả các thông số của bơm 48 Khi đó, áp suất toàn phần của bơm được xác định: H= p − p1 p = 2 + Ht + hm ρg ρg (2.53) Áp suất toàn phần khi bơm làm việc cũng có thể tính theo công thức: p − ph ω − ω1 p = đ + h0 + 2 ρg ρg 2g 2 H= 2 (2.54) Trong đó: pđ – Áp suất tuyệt đối trên ống đẩy, N/m2 (đọc giá trị đo của áp kế-manometer) ph – Áp suất tuyệt đối trên ống hút, N/m2 (đọc giá trị đo của áp kế chân khôngvaccumeter) ho - khoảng cách (theo chiều cao) giữa hai áp kế và chân không kế, m. ω1, ω2 - Vận tốc chất lỏng khi vào ống hút và ra khỏi ống đẩy, m/s Nếu ω1, ω2 gần bằng nhau và ho nhỏ thì phương trình (4-4) được tính: H= p − ph p = đ + h0 ρg ρg (2.55) + Chiều cao hút của bơm Áp dụng phương trình Bernoulli ta có thể tính được chiều cao hút của bơm (Bơm pittông): 2 2 p1 p v ω v − ω1 − + + hmh Hh = 2g ρg ρg (2.56) Trong đó: p1 - áp suất ở thùng chứa chất lỏng (Bể hút), N/m2 pv- là áp suất vào cửa bơm (áp suất hút), N/m2 ωv- Vận tốc chất lỏng ở cửa vào của bơm, m/s hmh- Tổn thất áp suất để khắc phục lực ma sát trong ống hút, m Từ công thức trên ta thấy: Chiều cao hút của bơm phụ thuộc vào áp suất thùng chứa (Bể hút-p1) và áp suất vào bơm (áp suất hút-pv), vận tốc và trở lực do ma sát. Chiều cao hút của bơm tăng khi áp suất ở bình chứa tăng và giảm với sự tăng của áp suất hút, vận tốc và trở lực trên đường ống hút. Áp suất hút pv được quyết định bởi áp suất hơi bão hòa của chất lỏng pbh, do đó phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong thực tế pv phải lớn hơn pbh của chất lỏng cần bơm. Do đó chiều cao hút: 2 2 p1 pbh ω v − ω1 − + + hmh Hh < ρg ρg 2g 49 (2.57) Ở bể hở, p1 = pa (áp suất khí quyển), nên chiều cao hút không vượt quá chiều cao cột chất lỏng ứng với 1at. Giá trị này phụ thuộc vào độ cao nơi đặt bơm so với mặt nước biển. Cụ thể, bơm đặt ở miền núi cao thì chiều cao hút của bơm sẽ nhỏ hơn so với khi đặt ở đồng bằng. Áp suất hơi bão hòa của chất lỏng tăng theo nhiệt độ. Do đó khi nhiệt độ của chất lỏng tăng, chiều cao hút sẽ giảm. Ngoài ra khi tính toán chiều cao hút của bơm, cần tính tổn thất áp suất do ma sát trên ống hút, quán tính cánh guồng và hiện tượng xâm thực. Bảng 2.2. Chiều cao hút tối đa của bơm pitông tính bằng m khi bơm nước t0C 0 20 30 40 50 60 70 50 7,0 6,5 6,0 5,5 4,0 2,5 0 60 6,5 6,0 5,5 5,0 3,5 2,0 0 90 5,5 5,0 4,5 4,0 2,5 1,0 0 120 4,5 4,0 3,5 3,0 1,5 0,5 0 150 3,5 3,0 2,5 2,0 0,5 0,0 0 180 2,5 2,0 1,5 1,0 0,0 0,0 0 n,vg/ph Cũng giống như bơm pittông, chiều cao hút của bơm ly tâm phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của chất lỏng, trở lực trong ống hút và nhiệt độ chất lỏng. Bảng 2.3. Chiều cao hút tối đa của bơm pitông tính bằng m khi bơm nước Nhiệt độ, 0C 10 20 30 40 50 60 ≥65 Chiều cao hút, m 6 5 4 3 2 1 0 Ví dụ: Áp kế trên ống đẩy từ bơm ra (xem hình bên cạnh) chỉ 3,8 atm và bơm được 12m3 nước trong một phút. Chân không kế trên ống hút chỉ 21 cmHg, khoảng cách thẳng đứng giữa chân không kế và áp kế là 0.6m. Đường kính ống hút 350 mm, đường kính của ống đẩy 300 mm. Xác định cột áp của bơm sinh ra. Biết rằng áp suất khí quyển 1atm Giải Áp dụng công thức (2.54), ta có: Vận = ω1 tốc của nước trong ống hút: 12 2, 08m / s = 60.0, 785.0,352 Vận tốc của nước trong ống đẩy: = ω2 12 2,83m / s = 60.0, 785.0,302 Áp suất trong ống đẩy:pđ = 3,8 atm + 1 atm= 50 4,8atm = 4,8x1,01x105 N/m2 Áp suất trong ống hút:760 mmHg-210 mmHg = 550 mmHg ≈ 7,235 mH2O =7,235 x 9810 N/m2 Áp suất do bơm tạo ra: p − ph ω − ω1 p = đ + h0 + 2 H= ρg ρg 2g 2 2 H = 42,42 m 5.5.4. Bơm thể tích Đặc điểm của bơm thể tích: Lưu lượng chất lỏng không đều và ít phụ thuộc vào áp suất của bơm. Có thể tạo ra áp suất cao; trị giá áp suất phụ thuộc vào công suất của bơm. Các loại bơm thể tích như sau - Bơm thể tích dạng pittông chuyển động tịnh tiến 8 7 6 4 5 2 3 1. Lưới 2. Ống hút 3. Bầu khí 4. Van hút (xupáp hút) 5. Pittông 6. Van đẩy (xupáp đẩy) 7. Bầu khí 8. Ống đẩy 1 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo bơm piston +Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bơm pittông đơn, tác dụng ngang Bơm pittông tác dụng đơn cấu tạo gồm các bộ phận chính: xilanh hình trụ, trong đó có pittông chuyển động tịnh tiến qua lại nhờ cơ cấu truyền động tay quay thanh truyền. Phía đầu xilanh có ráp hai xupáp hút và đẩy. Khi pittông chuyển động từ trái qua phải áp suất trong xilanh giảm xuống nhỏ hơn áp suất khí quyển; dưới tác dụng của áp suất khí quyển xupáp hút sẽ mở ra để nước tràn vào xilanh. Khi pittông chuyển động ngược lại từ phải qua trái, áp suất trong xilanh sẽ tăng lên; khi đó xupáp hút sẽ đóng lại. Khi áp suất trong xilanh lớn hơn lực nén của lò xo nén trên xupáp đẩy thì xupáp đẩy sẽ mở ra và nước trong xilanh sẽ được đẩy vào ống đẩy. Như vậy trong một vòng quay của trục động cơ, pittông thực hiện một chu kì chuyển động, bơm một lần hút và một lần đẩy chất lỏng. Theo cách làm 51 việc như vậy, người ta gọi đó là bơm tác dụng đơn (do đó lưu lượng bơm không đều). Thuộc loại bơm tác dụng đơn có bơm tác dụng đơn nằm ngang, bơm tác dụng thẳng đứng, bơm nhúng chìm, bơm màng. Để khắc phục hiện tượng lưu lượng của bơm không đều, người ta chế tạo bơm pittông tác dụng kép. Khi hoạt động, trong một chu kì chuyển động của pittông, bơm tác dụng kép sẽ hai lần hút và hai lần đẩy chất lỏng. Ngoài ra, trong kỹ thuật, để khắc phục hiện tượng lưu lượng không đều người ta còn chế tạo các loại bơm pittông tác dụng ba, tác dụng bốn hay bơm vi sai v.v… + Bầu khí và tác dụng của bầu khí Chất lỏng chuyển động trong ống hút và ống đẩy của bơm pittông có gia tốc, do đó sẽ xuất hiện lực quán tính ngược với chiều chuyển động của chất lỏng. Khi bơm có lưu lượng lớn thì lực quán tính cũng sẽ lớn, dẫn đến tổn thất do lực quá tính lớn. Do vậy để giảm tổn này, trong bơm pittông thường thiết kế các bầu khí ở cuối ống hút và đầu ống đẩy của bơm. Bầu khí cấu tạo là phòng kín có chứa khí. Khi bơm hút (hoặc đẩy) chất lỏng, một phần chất lỏng sẽ đi vào bầu khí chứa trong đó và nén khí trong bầu khí. Khi áp lực trong dòng chảy giảm dần (thấp hơn áp lực khí trong bầu khí) thì phần chất lỏng trong bầu khí sẽ chảy ra hòa chung với dòng chảy làm tăng độ điều hòa của dòng chảy, giảm bớt lực quán tính của dòng chảy. Như vậy, nhờ bầu khí mà bơm làm việc an toàn, không bị va đập thủy lực và những chấn động lớn; làm tăng độ điều hòa của dòng chảy, giảm bớt lực quán tính của dòng chảy. Tuy nhiên khi vận chuyển các chất đốt, nguyên liệu như sản phẩm dầu mỏ, xăng thì bơm không được có bầu khí, vì không khí có trong bầu khí sẽ trộn với hơi của chất đốt tạo thành hỗn hợp cháy nổ gây nguy hiểm + Ưu nhược điểm của bơm pittông * Ưu điểm: Cung cấp lưu lượng chất lỏng có áp suất lớn. Khởi động bơm không cần mồi chất lỏng. Vận chuyển được nhiều loại chất lỏng có độ nhớt khác nhau. * Nhược điểm chủ yếu của bơm pittông: Có kích thước và khối lượng lớn, do vậy chiếm nhiều diện tích lắp đặt. Truyền động phức tạp, các chi tiết chóng bị mài mòn. Lưu lượng chất lỏng không đều. *Những bộ phận quan trọng nhất của bơm pittông là thân bơm (xilanh), pittông và van. Xilanh thường được chế tạo bằng thép hoặc đúc bằng gang, hoặc bằng vật liệu có độ bền hóa học cao như ferosilic, sành, thép chịu axit,...Mặt trong của xilanh được gia công kỹ, đạt độ nhẵn cao để giảm ma sát. Đôi khi bề mặt trong của xilanh còn phủ một lớp đồng nhẵn cho thuận lợi khi sữa chữa. Pittông được cấu tạo theo kiểu đĩa hay kiểu Pơlôngjơ. Pittông kiểu đĩa có một đĩa bằng gang hay thép nối với cán pittông. Trên thành đĩa có lắp vài vòng đệm 52 (xecmăng) bằng dạ, cao su, kim loại hay vật liệu tổng hợp. Pơlôngjơ có dạng hình trụ rỗng được đúc bằng gang (nếu có đường kính lớn), hoặc gia công bằng thép (nếu đường kính bé, nhưng áp suất lớn). Bề mặt Pơlôngjơ được gia công nhẵn hoặc bọc một lớp đồng. Pitông kiểu Pơlôngjơ là bề mặt trong của xilanh không cần gia công kỹ như ở kiểu đĩa. Van thường dùng trong bơm pitông là van đĩa, van hình vành khăn, van hình cầu (van bi), và van bản lề. Van đĩa và van bi được dùng cho chất lỏng có độ nhớt cao, đặc biệt van bi dùng thích hợp cho huyền phù, khi số vòng quay nhỏ và năng suất thấp. Với chất lỏng bẩn (dễ làm tắc bơm) thì dùng van bản lề có thiết diện rộng. - Bơm thể tích dạng chuyển động quay + Bơm bánh răng Bơm bánh răng (hình 2.9) cấu tạo gồm hai bánh răng và ăn khớp với nhau và nằm khít trong vỏ. Số răng trên bánh răng thường là 8 ÷ 20. Các rãnh răng thực hiện chức năng của xi lanh, còn răng thực hiện chức năng của pittông. Như vậy khi bơm quay sẽ liên tục hút và đẩy chất lỏng. Số răng càng lớn thì lưu lượng càng đều. Bơm bánh răng có thể tạo được áp suất tới 25 at (khi lưu lượng tối đa là 58 m3/h). Bơm thường dùng để vận chuyển các loại chất lỏng có độ nhớt cao từ 0,2 ÷ 100 cm2/s. Hình 2.9. Bơm bánh răng + Bơm cánh trượt: Bơm được cấu tạo gồm vỏ bơm (thân bơm), trong đó có lắp ráp rôto có cánh xẻ rãnh theo hướng bán kính, trong rãnh có đặt cánh trượt. Khi roto quay, do sức ly tâm nên các cánh trượt văng ra phia ngoài ép sát vào thành vỏ bơm, chia bơm thành 2 vùng hút và đẩy (hình 2.10). Bơm cánh trượt thường có năng suất từ 2,5 đến 60 lít/s, áp suất từ 10-20 at, số vòng quay từ 500-1500vg/ph, hiệu suất bơm đạt η0 = 0,07-0,95. 53 ra vào Rotor thân bơm cánh trượt Hình 2.10. Bơm cánh trượt 5.5.5. Bơm ly tâm Bơm ly tâm là loại bơm theo nguyên lý lực ly tâm. Chất lỏng được dẫn vào tâm quay của bánh guồng. Nhờ lực ly tâm, chất lỏng bị đẩy văng ra mép bánh guồng. Năng lượng bên ngoài thông qua bánh guồng đã được truyền cho dòng chất lỏng, một phần tạo nên áp năng, một phần tạo thành động năng khiến nước chuyển động. - Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Bơm ly tâm (hình 2.11) gồm vỏ bơm, bánh guồng (trên đó có các cánh hướng dòng. Bánh guồng được gắn trên trục truyền động), ống hút và ống đẩy. Hình 2.11. Sơ đồ cấu tạo bơm ly tâm 1. Vỏ bơm; 2. Bánh guồng; 3. Trục động cơ; 4. Ống hút; 5. Lưới chắn rác; 6. Van một chiều; 7. Ống đẩy; 8. Bầu khí; 9. Lỗ mồi chất lỏng; 10. Van điều chỉnh lưu lượng Trước khi hoạt động bơm ly tâm cần được mồi đầy chất lỏng trong bánh guồng. Khi bánh guồng quay, dưới tác dụng của lực ly tâm chất lỏng trong bánh guồng sẽ chuyển động theo cánh hướng dòng từ tâm bánh guồng ra mép bánh guồng và đi theo vỏ bơm ra ngoài. Vỏ bơm được cấu tạo theo hình xoắn ốc có tiết diện lớn dần, có tác dụng làm giảm bớt vận tốc dòng chảy. Khi chất lỏng trong bánh guồng chuyển động ra ngoài dưới tác dụng của lực ly tâm, sẽ tạo ra áp suất chân không tại tâm bánh guồng; 54 do có sự chênh lệch áp suất ở bên ngoài và tâm bánh guồng chất lỏng sẽ theo ống hút chuyển động vào tâm bánh guồng theo phương vuông góc với bánh guồng, tạo thành dòng chất lỏng chuyển động liên tục trong bơm (hình 2.12). Chất lỏng không đầy trong bơm thì bơm không hút chất lỏng lên được. Trong quá trình máy bơm ly tâm đang hoạt động, nếu không khí lọt vào ống hút (thường gọi là "bơm bị e (air)" ), bánh guồng vẫn quay mà nước thì không bơm được. Bởi vì, lực ly tâm tỷ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì không khí nhẹ hơn 1000 lần so với nước nên nếu khí lọt vào tâm cánh bơm, lực ly tâm sẽ tác dụng nhỏ hơn 1000 lần và không đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân không cho lượng chất lỏng kế tiếp tràn vào. * Ưu điểm: lưu lượng đều, gọn nhẹ, có số vòng quay lớn nên có thể nối trực tiếp với động cơ, cấu tạo đơn giản ít chi tiết, có lưu lượng lớn nên bơm ly tâm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. * Nhược điểm: phải mồi bơm vào đầy ống hút và thân bơm nếu trong bơm không có sẵn chất lỏng; bơm không tạo ra được áp suất lớn hơn 7 at, năng suất phụ thuộc vào áp suất của bơm. Hình 2.12. Mô tả dòng chất lỏng vào, ra trong bơm ly tâm - Hiện tượng xâm thực Chất lỏng chuyển động vào miệng bơm ly tâm do áp suất ở đây thấp hơn áp suất khí quyển, điều này đã tạo điều kiện cho các khí hòa tan có trong chất lỏng bốc hơi tạo ra các bọt khí ở miệng hút của bơm. Các bọt khí này cùng chất lỏng sẽ chuyển động trong cánh guồng, khi đó áp suất lại tăng lên, khí lại hòa tan ngược lại vào chất lỏng. Do quá trình bay hơi- ngưng tụ- hòa tan khí xảy ra rất nhanh, thể tích bọt khí tăng lên và giảm đột ngột dẫn đến áp suất trong các bọt khí có thể đạt tới 100 ÷ 1000at. Hiện tượng đó tạo ra các va đập thủy lực bào mòn các kết cấu kim loại, tạo ra các 55 rung động và tiếng ồn; gọi là hiện tượng xâm thực. Hiện tượng xâm thực có hại cho bơm do đó cần phải hạn chế. Nếu hiện tượng xâm thực cùng với sự ăn mòn hóa học đồng thời xảy ra thì bơm bị phá hủy nhanh hơn, có khi chỉ vài giờ làm việc là bơm đã bị hỏng. Để tránh hiện tượng xâm thực, người ta cần tăng áp suất chất lỏng ở cửa vào của bơm bằng cách giảm chiều cao hút (như đặt bơm thấp hơn mực chất lỏng trong bể hút). Ngoài ra cánh guồng nên chế tạo bằng những vật liệu có độ bền cơ học cao, chịu được va đập. - Ghép bơm + Ghép song song Ghép song song là ghép mà các ống hút hoặc các ống xả được nối vào đường ống chung (hình 2.13). Cách ghép này dùng trong trường hợp hệ thống có yêu cầu lưu lượng lớn hơn lưu lượng một bơm. Điều kiện để các bơm ghép song song có thể làm việc được là khi làm việc các bơm phải có cùng một cột áp: H1 = H2 = H3 =…= Hi + Ghép nối tiếp Ghép nối tiếp là đem ống xả bơm thứ nhất nối với miệng hút của bơm thứ hai (hình 2.14), dùng trong trường hợp hệ thống có yêu cầu cột áp lớn hơn cột áp của một bơm. Điều kiện để các bơm nối tiếp làm việc được bình thường được trong hệ thống là các bơm ghép phải cùng một lưu lượng. Q1 = Q2 = … = Qi Cột áp làm việc của hệ thống ghép nối tiếp bơm khi Q = const bằng tổng cột áp của các bơm ghép. Hc = H1 + H2 +…+ Hi Việc ghép nối tiếp phức tạp và không kinh tế bằng chọn bơm khác có đủ cột áp yêu cầu để làm việc trong hệ thống. Hình 2.13- Ghép bơm song song ba bơm ly tâm 1,2 và 3 56 Hình 2.14 Ghép nối tiếp hai bơm ly tâm 1 và 2 5.6. Máy nén 5.6.1. Khái niệm Ngày nay máy nén được ứng dụng rộng rãi trong mọi nền kinh tế quốc dân. Trong công nghệ thực phẩm, máy nén, máy thổi khí được dùng trong một số quá trình như: cô đặc, sấy, chưng luyện chân không, để duy trì áp suất thấp. Ngoài ra để khuấy trộn, phun bụi hoặc vận chuyển vận liệu, người ta cũng dùng khí nén. Máy nén có nhiều loại, hiện nay người ta chế tạo ra những máy nén ly tâm có năng suất 105 m3/h, áp suất làm việc tới hàng trăm at. Những máy nén trục vít đạt số vòng quay 104 vòng/ phút, áp suất làm việc tới 10 at, đặc biệt là máy nén pittông có năng suất hàng trăm nghìn m3/h, áp suất suất làm việc đạt hàng nghìn at. Người ta chia máy nén thành 2 loại chính: - Máy nén thể tích: Là nén cưỡng bức lượng không khí đi qua máy, qua đây làm giảm không gian làm việc của máy. Nó là một chu trình nén khí tuần hoàn và cấp khí cũng tuần hoàn. - Máy nén động lực: Là tạo áp suất bằng cách tạo động năng cưỡng bức nhờ lực ly tâm. Qua máy nén, dòng khí chuyển động cưỡng bức ổn định và động năng sẽ biến thành thế năng. Đại diện cho loại máy nén này là máy nén ly tâm, máy nén tuốc bin, máy nén hướng trục. Ngoài ra người ta còn phân loại máy nén theo: áp suất, năng suất, làm lạnh (lạnh trung gian hay không ), số cấp nén, số lần tác động, phương pháp truyền động, theo loại khí. 5.6.2. Các thông số cơ bản của máy nén Bất kỳ máy nén làm việc theo nguyên lý nào, đều thỏa mãn 3 thông số chính sau đây: 57 - Tỉ số nén (ε): Là tỉ số giữa áp suất nén (áp suất ra) và áp suất hút. - Năng suất (Q): Là khối lượng khí cung cấp bởi máy nén trong một đơn vị thời gian, (m3/h hoặc m3/s ) - Công suất (N ): Là công suất tiêu hao để nén và vận chuyển khí Ngoài 3 thông số chính như trên, khi chọn máy ta cần còn phải chú ý: - Áp suất và nhiệt độ khí vào. - Áp suất và nhiệt độ khí ra. - Lý tính của khí. - Chỉ số đoạn nhiệt - Các tính chất liên quan khác của khí. 5.6.3. Máy nén pitông Người ta phân loại máy nén pitông như sau: - Phân loại theo số lần tác dụng: Một, hai tác dụng - Phân loại theo số cấp : Một ,hai, nhiều cấp - Phân loại theo áp suất làm việc: *Áp suất thấp P < 10 at *Áp suất trung bình P =(10 - 100at) *Áp suất cao P > 100 at - Phân loại theo năng suất: *Năng suất nhỏ Q < 10 m3/ phút. *Năng suất vừa Q = (10 -30 )m3/ phút. *Năng suất lớn Q >30 m3/ phút. 5.6.4. Máy nén ly tâm Máy nén ly tâm có 2 loại: Máy nén tuabin và máy thổi khí tuabin. Động lực chính của quá trình nén và đẩy khí là do lực ly tâm khi roto quay trong vỏ máy. + Đối với áp suất nhỏ, người ta dùng tuabin thổi khí loại một cấp, loại này áp suất tạo được không lớn hơn 0,15 at. + Đối với áp suất cao 1,3 - 1,4at người ta dùng turbine thổi khí đa cấp. + Đối với áp suất cao 1 - 10 at hoặc cao hơn người ta dùng máy nén turbine. So với một vài loại máy nén khác, máy nén ly tâm có ưu, nhược điểm sau: - Cấu tạo đơn giản, vận hành thuận lợi, vận hành an toàn, ít xảy ra sự cố. - Dòng khí được truyền liên tục và đều đặn, tức lưu lượng cung cấp đều hơn. - Hiệu suất thấp hơn so với máy nén pitông, đặc biệt khi máy làm việc áp suất càng cao thì hiệu suất càng giảm mạnh. 5.7. Quạt Trong công nghiệp thực phẩm, dạng quạt thường sử dụng là quạt ly tâm, vì vậy, 58 trong giới hạn của chương trình chúng ta chỉ nghiên cứu về quạt ly tâm 5.7.1. Nguyên tắc và cấu tạo của quạt ly tâm Quạt ly tâm làm việc theo nguyên tắc bơm ly tâm. Khi rôto quay, áp suất tại tâm quạt nhỏ, không khí đi vào tâm quạt và được cấp thêm năng lượng nhờ lực ly tâm. Các chi tiết chính của quạt bao gồm: - Rôto Rôto còn gọi là guồng động (bánh công tác, rôto) là chi tiết chính tạo nên áp lực để chuyển khí vào trong mạng. Rôto thường được chế tạo bằng thép. Rôto có cánh cong về phía trước thì áp suất toàn phần do quạt tạo ra luôn luôn lớn hơn cánh cong về phía sau hoặc cánh thẳng, tuy vậy hiệu suất thủy lực lại thấp. Đối với quạt có áp suất làm việc thấp hoặc trung bình ta thường thấy cánh thẳng. Còn đối với quạt cao áp thì thường dùng cánh cong về phía sau, vì hiệu suất thủy lực cao hơn các loại kia. - Thân quạt Thân quạt hay còn gọi là vỏ quạt, nó có chức năng là tập trung dòng khí và biến đổi một phần động năng của dòng thành áp suất tĩnh cho nên thân quạt thường có hình xoắn ốc. Để cho áp suất thủy tĩnh nhỏ nhất người ta lắp “ống vào” để dẫn khí đi vào Rôto. Khoảng hở giữa ống vào và Rôto δ ≤ 0,01 DR (DR: Đường kính Rôto). Nếu khoảng hở đó lớn thì không khí sẽ hao hụt nhiều. Ngược lại, nếu khoảng hở bé thì rất dễ va chạm tạo nên sự cố. Vỏ thường được chế tạo bằng thép theo phương pháp hàn gắn, tán rivê hoặc đúc. Đối với quạt cao áp (hoặc áp suất trung bình), thông thường trên đường ống ra người ta thường lắp thêm “ống loa” mở rộng với mục đích là để tăng áp lực của dòng khí ra đồng thời làm cho lưu lượng của dòng khí vào trong mạng được điều hoà hơn. - Trục quạt Đối với quạt có lưu lượng nhỏ thì trục gắn ngay lên động cơ, như vậy sẽ thuận lợi hơn, còn đối với quạt có lưu lượng lớn quạt được chế tạo bởi trục riêng, giữa trục của quạt và trục của môtơ có thể gắn song song hoặc gắn nối tiếp. Gắn song song nhờ puli cong gắn nối tiếp nhờ các khớp mềm. Trục được chế tạo bằng thép tốt. - Giá quạt Giá quạt hay còn gọi là bệ quạt, tùy theo năng suất lớn nhỏ khác nhau mà bệ quạt được hàn ghép hoặc được đúc thành một khối vững chắc. 5.7.2. Phân loại quạt Có nhiều cách phân loại khác nhau, thông thường chúng được phân loại theo 3 phương pháp sau đây: - Phân loại theo áp lực + Gồm có quat làm việc áp suất thấp H < 100 mm H2O 59 + Áp suất trung bình H : 100 ÷ 400 mm H2O + Áp suất cao H> 400 mm H2O - Phân loại theo hệ số cao tốc Dựa vào mô hình thí nghiệm mẫu ở điều kiện chuẩn lấy H=30mmH2O, Q= 1 m /s. Người ta xây dựng hệ số cao tốc của quạt: 3 ns = 11,3.n. Q H ρ 3/ 4 (2.58) Trong đó: n - Số vòng quay thực của quạt (vòng/phút) Q - Lưu lượng (m3/s) H - Áp suất quạt (mm H2O) Ρ - Khối lượng riêng của không khí (kg/m3) Khi ns > 1500 vg / ph : Gọi là quạt cao tốc ns = (800 ÷ 1400) vg / ph : quạt vận tốc trung bình ns < 800 vg /ph : quạt vận tốc chậm - Phân loại theo mục đich sử dụng Bao gồm quạt không khí thường, quạt khói lò, quạt không khí nóng, lạnh, quạt hút bụi v.v… 5.7.3. Áp suất toàn phần của quạt Áp suất toàn phần của quạt được tính theo: H = Ht + Hd ; mmH2O (2.59) Trong đó: Ht – Áp suất tĩnh học, (mmH2O) Hd – Áp suất động học, (mmH2O) Tương tự như phần bơm ly tâm, ta có: Ht = Ht, h + Ht, d (2.60) v2 2g (2.61) Hd = Ht,h – Áp suất chân không khi hút, (mmH2O) Ht,d - Áp suất khi đẩy, (mmH2O) v - Vận tốc dòng khí ra khỏi quạt, (m/s) Thông thường áp suất động học Hd chiếm tới 50% giá trị áp suất toàn phần, như vậy: v2 H = Ht,h + Ht,d + 2g 60 (2.62) Có 3 trường hợp: - Nếu quạt hút trực tiếp từ khí quyển, tức là trường hợp không lắp ống hút, lúc đó: Ht,h = 0, nên H = Ht,d + v2 2g (2.63) - Nếu quạt không gắn ống đẩy, hoặc ống đẩy rất ngắn so với ống hút, lúc đó: Ht,d = 0, nên H = Ht,h + v2 2g (2.64) - Nếu quạt không gắn ống hút và không gắn ống đẩy (thường gọi là quạt không áp) lúc đó: Ht,h = Ht,d =0, nên H= v2 2g (2.65) 5.7.4. Lưu lượng, công suất, hiệu suất của quạt ly tâm Bỏ qua sự biến đổi khối lượng riêng của khí thì công suất cần thiết của quạt được xác định theo công thức: N= Trong đó: ρ kk. g.Q.H kk , 1000.η kw (2.66) ρkk - khối lượng riêng của không khí (kg / m3) g - Gia tốc trọng trường (m/s2) Q - Lưu lượng của quạt (m3/s) Hkk - Áp suất toàn phần do quạt tạo ra (m cột khí) η - Hiệu suất chung Trong thực tế vì chiều cao đo bằng m cột khí là không xác định được do đó ta quy về m cột nước, có dạng: N= g.Q.H η (2.67) Trong đó: H – Áp suất toàn phần do quạt tạo ra (mmH2O) Hiệu suất chung η được xác định được bằng biểu thức: η = η1 . η2 . η3 Trong đó: η1 - Hiệu suất lý thuyết của quạt (tra theo bảng hoặc giản đồ) η2 = (0,95 ÷ 0,97) - Hiệu suất của ổ đỡ η3 = 0,9 ÷ 0,95 - Hiệu suất đối với hệ truyền bằng đai Trong thực tế công suất của quạt ly tâm có thể tăng lên rất lớn mặc dầu năng suất tăng lên không lớn bởi các lý do kỹ thuật như thiết kế không chính xác, lắp đặt sai quy cách, hệ thống ống dẫn bị rò rỉ. 5.7.5. Quạt mắc song song và mắc nối tiếp - Mắc song song: Trong trường hợp 1 quạt mà không đủ lưu lượng cần thiết thì ta có thể ghép song song 2 (hay nhiều) quạt lại với nhau. Ta lưu ý là khi ghép song song thì ta phải chọn 2 quạt có thông số hình học giống nhau. 61 - Mắc nối tiếp: Trong trường hợp 1 quạt mà không tạo đủ áp lực cần thiết thì ta ghép 2 ( hay nhiều) quạt lại với nhau. Trong trường hợp ghép nối tiếp này ta thấy ống đẩy của quạt hút sẽ nối trực tiếp vào ống hút của quạt đẩy. 5.7.6. Lắp đặt quạt Đối với quạt có năng suất nhỏ thì người ta thường lắp rôto trực tiếp lên trục của động cơ, phương pháp này rất vững chắc, an toàn đặc biệt khi làm việc ít gây tiếng ồn và khá tinh tế. Còn đối với các quạt có năng suất lớn thì rôto thường lắp trục riêng rẽ với trục của động cơ. Trục của rôto được lắp với trục của động cơ qua khớp đàn hồi. Trường hợp khi hút cả hai phía, hoặc khi khối lượng của rôto lớn thì trục của rôto được đỡ bằng hai ổ bi. 5.7.7. Vận hành quạt - Khởi động Trước khi cho quạt hoạt động ta cần kiểm tra một vài yếu tố kỹ thuật như kiểm tra các bulong, các chi tiết mà ở đó dễ xảy ra sự cố, kiểm tra phần điện, lưới bảo hiểm (nếu có). Đặc biệt các quạt có công suất lớn vừa lắp đặt xong ta phải kiểm tra các dụng cụ còn sót lại bên trong nó, ví dụ như đồ nghề bulong dây điện… Khi khởi động, ta nên “nhấp” nhẹ vào cầu dao điện rồi quan sát + Chiều quay của cánh + Có tiếng kêu khác thường bên trong quạt không + Xem xét các yếu tố liên quan. Nếu thấy ổn định, ta đóng mạnh cầu giao điện để cho quạt hoạt động luôn. - Tiếng ồn, phương pháp làm giảm tiếng ồn Mọi loại quạt máy hoạt động đều kèm theo tiếng ồn. Phân biệt hai loại tiếng ồn + Tiếng ồn do khí động lực học sinh ra. + Tiếng ồn do ma sát cơ học Để làm giảm tiếng ồn do khí động lực học sinh ra, đối với quạt ly tâm thì ta nên chọn (hoặc thiết kế) loại cánh có dạng cong về phía sau β 30 m/s; kết cấu vỏ quạt sai cũng dẫn đến tiếng ồn đáng kể. Ngoài các nguyên nhân trên còn có một nguyên nhân để làm cho quạt gây ồn là do ta chọn số vòng quay không thích hợp. Tiếng ồn do ma sát cơ học là do lắp đặt sai yêu cầu kỹ thuật, tốt hơn hết khi lắp quạt mới, rôto cần phải được cân bằng nghiêm chỉnh. Các ổ bi phải được bôi trơn tốt. Nếu quạt có khớp nối, thì khớp nối giữa trục quạt và trục động cơ đảm bảo tính đàn hồi cao và chúng phải đồng trục với nhau. 62 6. SỰ TRUYỀN NHIỆT Trong công nghiệp hóa học nói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng, nhiều quá trình mà vận tốc tiến hành quá trình phụ thuộc vào sự cấp nhiệt hoặc lấy nhiệt. Các quá trình đó gọi là các quá trình nhiệt. Các quá trình nhiệt thường gặp là đun nóng, làm nguội, ngưng tụ và cô đặc. Đun nóng là một quá trình làm tăng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ cuối cùng cho trước. Đun nóng về bản chất là một quá trình truyền nhiệt từ vật thể nóng hơn (hoặc từ chất tải nhiệt) sang vật thể nguội hơn (vật liệu được đun nóng). Làm nguội là quá trình ngược lại với quá trình đun nóng, nó là quá trình hạ nhiệt độ của vật từ nhiệt độ ban đầu cao xuống đến nhiệt độ theo yêu cầu (thấp hơn ) Hầu hết các biến đổi vật lý của quá trình làm nguội là ngược lại với quá trình đun nóng. Tuy nhiên phần lớn các quá trình sinh hóa, hóa học, hóa lý là những quá trình không thuận nghịch. Trong công nghiệp chế biến thực phẩm luôn luôn gắn liền với quá trình đun nóng và làm nguội nhằm các mục đích sau: Chuẩn bị cho các quá trình tiếp theo, tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm, làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan cho sản phẩm, chuẩn bị hoàn thiện sản phẩm … Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng bằng cách: Hạ nhiệt độ của hơi (khí ) hoặc nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời. Quá trình truyền nhiệt được thực hiện bởi các phương thức sau: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt (cấp nhiệt) và bức xạ nhiệt. 6.1. Các phương thức truyền nhiệt 6.1.1. Truyền nhiệt dẫn nhiệt - Dẫn nhiệt là quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ phần tử này đến phần tử khác của vật thể khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau và có nhiệt độ khác nhau. Thường quá trình này chỉ xảy ra trong cùng một vật thể. Các phân tử có nhiệt độ cao hơn có chuyển động dao động mạnh, va chạm với các phân tử lân cận, truyền cho chúng phần động năng của mình và cứ như thế năng lượng nhiệt được truyền đi mọi phía của vật thể. Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong môi trường khí hay lỏng nếu như toàn bộ khối khí và lỏng này đứng yên hay chảy dòng. - Định luật Fourier về dẫn nhiệt: Một nhiệt lượng q dẫn qua một nguyên tố bề mặt F sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, diện tích bề mặt và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai mặt đẳng nhiệt. Công thức Fourier: q = −λ.F . dt dn (2.68) Với dt – chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt đẳng nhiệt, dt = t1 – t2 ; K dn = khoảng cách giữa 2 mặt đẳng nhiệt (m). 63 Q – nhiệt lượng dẫn đi trong vật thể (W). λ – độ dẫn nhiệt, hay còn gọi hệ số dẫn nhiệt; (W/m.0K). F – bề mặt vuông góc với dòng nhiệt (m2). Dấu “-“: biểu thị dòng nhiệt biến đổi theo chiều giảm nhiệt độ. - Hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (λ) của các loại vật thể khác nhau thì khác nhau, nó phụ thuộc vào cấu trúc, khối lượng riêng, hàm ẩm, áp suất và nhiệt độ của vật thể, thường nó được xác định bằng thực nghiệm. Đơn vị của độ dẫn nhiệt là W/m.K ; W/m.oC Vậy: hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt (tính bằng Jun) dẫn qua bề mặt 1m2 trong thời gian 1 giây chênh lệch nhiệt độ trên 1m chiều dài theo phương pháp tuyến của mặt đẵng nhiệt là 1 độ. Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất, nó là đặc tính vật lý của vật chất. Hệ số dẫn nhiệt λ của một số vật liệu: • Kim loại: 50-400 (W/m.0K). • Hợp kim: 10-120 (W/m.0K). • Nước: 0,597 (W/m.0K). (ở 20oC). • Không khí: 0,0251 (W/m.0K). (ở 200C). • Vật liệu cách nhiệt: 0,035-0,173 (W/m.0K). • Thực phẩm: 0,2 – 0,5(W/m.0K). Bảng 2.4. Hệ số dẫn nhiệt của một số thực phẩm Sản phẩm Nhiệt độ (0C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m. K) Rau quả, củ Bưởi - 1,3500 Cam 28 0,5800 Cà chua - 0,5279 Cà rốt - 0,6058 Chuối - 0,4811 Củ cải 28 0,6006 Dứa - 0,5486 Hành 8,6 0,5746 Khoai tây - 0,554 -10 1,497 Thịt, cá Cá 64 Thịt bò 5 0,5106 10 0,5227 Thịt gia cầm - 0,4119 Thịt heo 6 0,4881 59,3 0,5400 3,9 0,1679 Dầu mè - 0,1755 Nước táo -18 0,6317 Sữa 80 0,5054 20 0,5435 Các chất dạng lỏng Dầu đậu phụng (dầu lạc) Các chất khác Lòng đỏ trứng Lòng trắng trứng 0,338 Margarine 2,8 0,2340 Nhiều phương trình đã được đề xuất để xác định độ dẫn nhiệt của thực phẩm sản phẩm. Đối với trái cây và rau với lượng nước lớn hơn 60%, độ dẫn nhiệt có thể được tính bằng phương trình (Sweat, 1974): λ = 0,148 + 0,493Xn (2.69) Trong đó: λ - độ dẫn nhiệt, W/m.K Xn - phần khối lượng của nước Đối với sản phẩm thịt chứa 60% đến 80% lượng nước, độ dẫn nhiệt có thể được tính bằng phương trình Sweat (1974): λ = 0,08 + 0,52Xn (2.70) Một phương pháp khác là sử dụng một phương trình dựa trên toàn bộ các thành phần thực phẩm để ước tính dẫn nhiệt (Sweat, 1995): λ = 0,25Xc + 0,155 Xp + 0,16 Xf + 0,135 Xa + 0,58 Xn (2.71) Trong đó: Xc, Xp, Xf, Xa, Xn – phần khối lượng của carbohydrate (c); protein (p); lipid (f); tro (a); và nước (n). - Dẫn nhiệt qua tường phẳng: Xét tường phẳng một lớp có chiều dày δ, độ dẫn nhiệt λ, diện tích F, nhiệt độ ở bề mặt tường là tT1 và tT2, giả sử tT1> tT2 (hình 2.12) Nhiệt lượng (Q) dẫn qua tường xác định bằng công thức: Q = λ/δ.F.(tT1-tT2) 65 (2.72) Hình 2.15. Mô tả quá trình dẫn nhiệt qua tường phẳng Đối với tường phẳng nhiều lớp, lượng nhiệt dẫn qua tường được tính bằng công thức: Q= tT 1 − tT 2 δi ∑ i =1 λi i =n (2.73) .F Trong đó: i – số thứ tự của tường n – số lớp tường δi – độ dày lớp tường thứ i, m λi – độ dẫn nhiệt lớp tường thứ i, W/m.K Q – lượng nhiệt, W - Dẫn nhiệt qua tường ống Xét tường ống một lớp có bán kính trong r1, bán kính ngoài r2, độ dẫn nhiệt λ, chiều dài L, nhiệt độ ở bề mặt ống bên trong là tT1 và nhiệt độ ở bề mặt ống bên ngoài là tT2, giả sử tT1> tT2 Nhiệt lượng (Q) dẫn qua tường ống một lớp xác định bằng công thức: (2.74) Lượng nhiệt dẫn qua tường ống nhiều lớp được xác định bằng công thức: (2.75) Trong đó: ri – bán kính lớp tường thứ i, m Ví dụ: Một ống thép dài 10m, bán kính trong là 2,5cm; bán kính ngoài 2,8cm; nhiệt độ bề mặt bên trong là 80oC, nhiệt độ bề mặt phía ngoài là 25 , hệ số dẫn nhiệt của thép λ=45 W/m.K. Hãy xác định lượng nhiệt dẫn qua ống thép. Giải Áp dụng phương trình (2.74), ta có: 66 Q= 1372 kW Chú ý: không cần thiết phải đổi đơn vị oC sang K khi tính lượng nhiệt dựa vào chênh lệc nhiệt độ và khi tính tỷ số bán kính trong và ngoài thì không cần chuyển đổi đoen vị đo bán kính sang mét (m) Hình 2.16. Sơ đồ dẫn nhiệt qua tường ống một lớp 6.1.2. Truyền nhiệt đối lưu - Trong môi trường lỏng và khí, hiện tượng vận chuyển nhiệt lượng chủ yếu là bằng đối lưu. Truyền nhiệt đối lưu là hiện tượng vận chuyển nhiệt lượng do các phần tử chất lỏng hoặc khí đổi chỗ trong không gian. - Hiện tượng đổi chỗ của các phần tử khí hoặc lỏng có thể tự nhiên hay cưỡng bức. Đối lưu tự nhiên xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần tử khí hoặc lỏng gây nên chênh lệch khối lượng riêng làm cho các phần tử khí hoặc lỏng chuyển động. Đối lưu cưỡng bức là dùng công bên ngoài như bơm, khuấy trộn...để làm cho các phần tử khí hoặc lỏng chuyển động. Hiện tượng trao đổi nhiệt trong đối lưu cưỡng bức mạnh hơn so với đối lưu tự nhiên. - Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ chất lỏng (hay khí) đến tường hoặc thành thiết bị tiếp xúc với nó, hay ngược lại, gọi là quá trình cấp nhiệt. Vậy thực chất quá trình cấp nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu (có thể đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức). Định luật Newton về cấp nhiệt Định luật Newton được phát biểu như sau: Một nhiệt lượng q do một nguyên 67 tố bề mặt F của vật thể có nhiệt độ tT cấp cho môi trường xung quanh thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường Công thức Newton : q = α.F.(tT - t ) m (2.76) Trong đó: tT - nhiệt độ bề mặt của vật thể, oC tm - nhiệt độ của môi trường xung quanh, oC. α - hệ số cấp nhiệt, thường được xác định bằng thực nghiệm, W/m2.oC - Hệ số cấp nhiệt α là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường cấp cho môi trường xung quanh (hay ngược lại nhận nhiệt từ môi trường xung quanh) trong khoảng thời gian 1 giây và khi hiệu số nhiệt độ là 1oC. Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp nên việc tính toán rất khó chính xác. 6.1.3. Truyền nhiệt bức xạ Nhiệt bức xạ là hiện tượng vận chuyển nhiệt lượng từ vật thể nóng đến vật thể nguội trong không gian dưới dạng các tia năng lượng gọi là tia bức xạ, không cần môi trường trung gian. Nhiệt phát ra từ vật thể nóng thành những tia bức xạ lan truyền trong không gian, đến một chỗ nào đó thì toàn bộ hay một phần của các tia năng lượng này được một vật thể nguội hấp thụ và biến đổi thành nhiệt năng. Hãy xét một chùm tia bức xạ mang một năng lượng Q (j), đập vào bề mặt một vật thể (hình 2.13) trong trường hợp tổng quát nhất năng lượng đó sẽ chia ra 3 phần: + Một phần năng lượng QA được vật thể hấp thụ để biến đổi thành nhiệt năng. + Một phần năng lượng QR bị phản xạ trở lại. + Một phần năng lượng QD khúc xạ qua vật thể. Vậy theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Q= QA+ QR + QD. Ta ký hiệu: QA/Q=A, QR/Q=R, QD/Q=D. Thế thì: A+ R+D =1. Người ta gọi A là khả năng hấp thụ của vật thể, R là khả năng phản xạ và D là khả năng khúc xạ của vật thể. Trong kỹ thuật, ta ít gặp vật thể khúc xạ hoàn toàn, nên: A +R =1 (còn D≈ 0). Những vật thể có bề mặt hấp thụ hoàn toàn các tia năng lượng đập lên nó gọi là vật đen tuyệt đối hoặc vật đen lý tưởng. Khi đó thì A=0,9-0,95(A ≈1)và R≈0. Những vật thể có bề mặt phản xạ hoàn toàn các tia bức xạ đập lên nó gọi là vật trắng tuyệt đối hoặc vật trắng lý tưởng. Khi đó thì R ≈1 và A=0. Nhưng trong thực tế không có vật đen tuyệt đối và vật trắng tuyệt đôi mà chỉ có những vật thể vừa có khả năng hấp thụ vừa có khả năng phản xạ các tia bức xạ, những vật thể đó gọi là vật xám. 68 Định luật Stefan-Boltzmann Khả năng bức xạ của vật thể: là năng lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của vật thể bức xạ trong một đơn vị thời gian. Nếu ta ký hiệu năng lượng bức xạ của vật thể trong một giây là Q (j/s), bề mặt của vật thể là F(m2), thì khả năng bức xạ của vật thể có thể biểu diễn theo công thức: E= Q F Hình 2.17. Mô tả sự phản xạ, phản xạ và hấp thụ bức xạ của vật thể QA, QR, QD – Phần năng lượng hấp thụ, phản xạ, khúc xạ Định luật Stefan-Boltzmann: khả năng bức xạ của vật thể tỉ lệ bậc bốn với nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt vật thể. E0= C0.ε.T4 (2.77) Trong đó: C0: hệ số Stefan-Boltzmann, C0 = 5,669.10-8 W/m2K4. T: nhiệt độ tuyệt đối, K ε: tỉ số phát xạ (0-1), tỉ số ε của thể đen là 1. C0 là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối. 6.2. Các quá trình truyền nhiệt Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác qua một tường ngăn cách gọi là truyền nhiệt. Vậy truyền nhiệt bao gồm cả cấp nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt. Năng lượng bức xạ đóng vai trò quan trọng khi nhiệt độ cao, khi nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường thì nhiệt bức xạ không đáng kể. Quá trình truyền nhiệt được ứng dụng phổ biến bao gồm dẫn nhiệt và đối lưu như nhiệt truyền qua tường, thiết bị trao đổi nhiệt - Phân loại truyền nhiệt: Dựa theo nhiệt độ làm việc của lưu thể mà người ta chia ra truyền nhiệt đẳng nhiệt và truyền nhiệt biến nhiệt. + Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo thời gian và không gian, tức là hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể là 69 một hằng số ở mọi vị trí và mọi thời gian. (Ví dụ dùng hơi nước để cung cấp nhiệt cho chất lỏng đang sôi). + Truyền nhiệt biến nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của lưu thể có thay đổi trong quá trình làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể có thay đổi. Trong truyền nhiệt biến nhiệt người ta còn phân biệt: * Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: tức là trường hợp hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi theo thời gian. (Trường hợp này chỉ xảy ra đối với các quá trình làm việc liên tục). * Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định: tức là trường hợp hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể đều thay đổi theo vị trí và thời gian. (Trường hợp này chỉ xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn). - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp và nhiều lớp Hình 2.18. Sơ đồ truyền nhiệt qua tường phẳng t1 – nhiệt độ lưu thể nóng; t2 – nhiệt độ lưu thể nguội tT1, - nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với lưu thể nóng; tT2 - nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với lưu thể nguội δ - chiều dày của tường tm1 là nhiệt độ của màng phía lưu thể nóng tm2 là nhiệt độ của màng phía lưu thể nguội Giả sử có một tường phẳng một lớp có chiều dày δ, bề mặt tường F, độ dẫn nhiệt λ, một phía của tường là lưu thể nóng có nhiệt độ t1 và một phía là lưu thể nguội có nhiệt độ t2. Hệ số cấp nhiệt từ lưu thể nóng đến tường là α1 và từ tường đến lưu thể nguội là α2 . Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội gồm 3 giai đoạn: + Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến mặt tường (cấp nhiệt). + Nhiệt dẫn xuyên qua tường (dẫn nhiệt). + Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể nguội (cấp nhiệt). 70 Ta xét quá trình trong trạng thái nhiệt ổn định, do đó lượng nhiệt vận chuyển qua mỗi giai đoạn trong khoảng thời gian τ đều như nhau. Dựa vào tính chất vận chuyển nhiệt lượng qua từng giai đoạn mà thành lập phương trình sau: + Cấp nhiệt bên lưu thể nóng: (ta coi t1=tm1 là nhiệt độ của màng phía lưu thể (a) nóng): q = α1 .F.(t1-tT1) Hoặc q/α1 = F.(t1-tT1). + Dẫn nhiệt qua tường: Hoặc: q = λ/δ.F.(tT1-tT2). q.δ/λ = F.(tT1-tT2). (b) + Cấp nhiệt bên lưu thể nguội: (ta coi t2=tm2), q = α2.F.τ(tT2-t2). Hoặc: q/α2 = F.(tT2-t2) (c) Cộng 3 phương trình a,b,c ta được: 1 δ 1 = F .(t1 − t 2 ) q + + α λ α 2 1 Chuyển vế: q= 1 1 δ 1 + + α1 λ α 2 .F .(t1 − t 2 ) (2.78) Ta đặt: k= 1 (2.79) 1 δ 1 + + α1 λ α 2 k – là hệ số truyền nhiệt qua tường phẳng, W/m2.oC Và ∆t=(t1-t2), thì ta có: q = k .F.∆t (W) (2.80) Đây là phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp. Đối với tường phẳng nhiều lớp, ta cũng chứng minh tương tự và đi đến công thức (2.77) nhưng hệ số truyền nhiệt của tường nhiều lớp được tính như sau: k= 1 δ 1 +∑ i + α1 i =1 λi α 2 1 n (2.81) - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống một lớp và nhiều lớp Ta xét một tường hình ống bán kính trong là r1, bán kính ngoài là r2, chiếu dày δ, độ dẫn nhiệt λ và chiều dài L. Lưu thể nóng đi bên trong ống có nhiệt độ t1, lưu thể nguội đi ngoài ống có nhiệt độ t2. Hệ số cấp nhiệt của lưu thể nóng là α1 và của lưu thể nguội là α2. Cũng như trong tường phẳng, nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng sang lưu thể 71 nguội phải qua 3 giai đoạn: + Từ lưu thể nóng đến mặt trong của tường ống. + Nhiệt dẫn xuyên qua tường ống. + Từ mặt ngoài của tường ống đến lưu thể nguội. Vì quá trình truyền nhiệt ổn định nên trong khoảng thời gian τ, lượng nhiệt qua 3 giai đoạn trên đều như nhau: ta lập phương trình cho từng giai đoạn: + Cấp nhiệt phía bên tường nóng: q = α1(t1-tT1).F= α1(t1-tT1).2π.r1.L (a) + Nhiệt dẫn qua thành ống: q = λ/δ.F.(tT1-tT2) = 2π.L λ.(tT1-tT2) /ln(r2/r1) (b) + Cấp nhiệt phía tường nguội: q = α2.2π.r2(tT2-t2) (c) Cộng ba phương trình a, b, c ta được: q= 1 2πL.(t1 − t 2 ) (1 / α 1 r1 + 1 / λ ln r2 / r1 + 1 / α 2 r2 ) Đặt: k R = Vậy 1 (1 / α 1 r1 + 1 / λ ln r2 / r1 + 1 / α 2 r2 ) q= kR.2πL.∆t (2.82) (2.83) (2.84) kR – hệ số truyền nhiệt của tường ống, W/m.oC ∆t = t1 – t2 , oC Trường hợp r2/r1 < 2, ta có thể sử dụng phương trình (2.79) và (2.80) của tường phẳng để tính toán cho tường ống. Đây là phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống một lớp. - Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định và hiệu số nhiệt độ trung bình Trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn định, hiệu số nhiệt độ giữa hai đối lưu thể biến đổi theo vị trí (không gian) nhưng không biến đổi theo thời gian (tức là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của từng lưu thể đều khác nhau và hệ số nhiệt độ của hai lưu thể ở những vị tri tương ứng khác nhau). Bởi vậy ta không thể tính lượng nhiệt truyền đi với ∆t =(t1-t2) như trong phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt được mà phải tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình. + Chiều chuyển động của lưu thể Chiều chuyển động của lưư thể ở hai phía bề mặt trao đổi nhiệt quan hệ rất nhiều đến quá trình truyền nhiệt. Qua thực tế phân loại như sau: * Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song và cùng chiều theo tường ngăn cách. (hình 2.16a) * Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều nhau theo tường ngăn cách. (hình 2.16b) * Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theo phương vuông góc nhau (hình 2.16c) 72 * Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chỉ chảy theo 1 hướng nào đấy, còn lưu thể 2 lúc thì chảy cùng chiều lúc thì chạy ngược chiều với lưu thể (hình 2.16d) Trong tất cả 4 trường hợp trên, nhiệt độ của hai lưu thể đều thay đổi. Lưu thể nóng giảm nhiệt độ từ nhiệt độ đầu (t1đ) đến nhiệt độ cuối (t1c). Còn lưu thể nguội sẽ tăng nhiệt độ giữa hai lưu thể cũng thay đổi từ (t2đ) đến (t2c). Do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể cũng thay đổi trị số đầu (∆tđ) đến trị số cuối (∆tc). Hình 2.19. Biểu diễn chiều chuyển động của hai lưu thể + Hiệu số nhiệt độ trung bình Xét hai lưu thể chảy xuôi chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt (hình 2.20). Nhiệt độ của lưu thể nóng giảm còn nhiệt độ của lưu thể nguội tăng. Nhận thấy nhiệt độ của hai lưu thể đều thay đổi dọc theo bề mặt trao đội nhiệt nhưng ở từng điểm thì nhiệt độ không thay đổi theo thời gian (hình 2.21). Hình 2.20. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Ký hiệu: t1đ, t1c – nhiệt độ ban đầu và cuối của lưu thể nóng t2đ, t2c – nhiệt độ ban đầu và cuối của lưu thể nguội Ký hiệu: ∆ttb - hiệu số nhiệt độ trung bình. ∆tđ = t1đ-t2đ : hiệu số nhiệt độ ban đầu. ∆tc = t1c-t2c : hiệu số nhiệt độ cuối. Nhiệt độ trung bình khi hai lưu thể chảy cùng chiều được tính theo công thức: 73 ∆t − ∆tc ∆ttb = d ∆t ln d ∆tc (2.85) Chú ý: nếu trong quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể biến đổi ít, tức là khi tỉ số ∆tđ /∆tc 3500 ) dùng để phân ly huyền phù khó lắng, lọc hoặc nhủ tương. 4.2. Phân loại quá trình ly tâm Tùy theo cấu tạo bề mặt rôto mà quá trình ly tâm tiến hành theo nguyên tắc lọc ly tâm hay lắng ly tâm. Do đó cũng có hai loại máy ly tâm: máy ly tâm lắng và máy ly tâm lọc 4.2.1. Quá trình ly tâm lắng Quá trình lắng ly tâm sử dụng máy ly tâm lắng có cấu tạo bề mặt rôto (thùng quay) là thành liền (không đục lỗ). Quá trình phân riêng trong máy lắng ly tâm nhờ lực thể tích của pha phân tán, nguyên tắc làm việc được mô tả ở hình 3.10. Quá trình lắng ly tâm huyền phù gồm hai quá trình vật lý là lắng các hạt rắn và nén bã, pha rắn thường bám chặt vào thành thùng quay, pha lỏng ở bên trong thùng quay. 105 pha nặng pha nhẹ Hình 3.10. Mô tả nguyên lý lắng ly tâm 4.2.2. Quá trình ly tâm lọc Bề mặt rôto (thùng quay) của máy lọc ly tâm là thành có đục lỗ, bên trong có lót vải hoặc lưới lọc. Quá trình phân riêng trong máy ly tâm lọc nhờ lực thể tích của pha liên tục. Quá trình lọc ly tâm huyền phù gồm ba quá trình vật lý là lọc các hạt rắn, nén bã và làm khô bã; pha rắn thường bám chặt vào thành thùng quay còn pha lỏng xuyên qua lớp vải (lưới) lọc, văng qua các lỗ của thùng quay ra ngoài (hình 3.12). 4.3. Biến đổi của vật liệu sau ly tâm Sau khi li tâm các thành phần của hỗn hợp được tách biệt, thay đổi chủ yếu về trạng thái, không có biến đổi hóa học, hóa lý và sinh hóa đáng kể nhưng về chất lượng nói chung tăng lên: Hình 3.11. Mô tả quá trình lắng trong huyền phù và phân riêng nhũ tương 106 hơn. Hình 3.12. Mô tả nguyên lý quá trình lọc ly tâm - Tách các tạp chất hòa tan, đặc biệt tách được các chất màu dẫn đến sản phẩm trắng - Trong quá trình li tâm, tùy loại sản phẩm mà có giai đoạn rửa bã. Nếu có rửa bã thì sản phẩm tốt hơn. - Tách tinh thể sản phẩm thực phẩm ra khỏi dung dịch nên tránh vi sinh vật có thể phát triển do môi trường là dung dịch bao quanh nó đã được loại ra. 4.4. Máy ly tâm 4.4.1. Máy ly tâm lắng - Máy ly tâm lắng nằm ngang tháo bã bằng vít xoắn Loại này dùng để phân ly huyền phù mịn có nồng độ trung bình và lớn. Trong công nghiệp thực phẩm loại máy này dùng để tách tinh bột ra khỏi nước quả, trong các ngành công nghiệp khác dùng để phân riêng pha rắn và pha lỏng. Máy gồm có hai rôto. Rôto ngoài có dạng hình nón hoăc trụ-nón, rôto trong có dạng hình trụ mà mặt ngoài của nó có gắn vít tải. Rôto trong và rôto ngoài quay cùng chiều nhưng rôto trong quay chậm hơn rôto ngoài 1,5-2 % (khoảng 20-100vg/ph) nhờ hộp giảm tốc vi sai. Rôto trong có đục các lỗ để dẫn huyền phù nhập liệu. Góc nghiêng phần hình nón của rôto khoảng 9-10O . Quá trình lắng xảy ra trong khoảng không gian giữa hai rôto, bã bám vào mặt trong của rôto ngoài và được vít tải đẩy về phía cửa tháo bã. Nước trong đi về phía ngược lại, chảy qua các cửa ở trên đáy rồi đi ra ngoài. Trong phần rôto không bị ngập nước, bã vừa được đưa ra khỏi rôto vừa được làm khô. Có thể điều chỉnh chế độ làm việc của máy bằng cách thay đổ số vòng quay hoặc thay đổ chiều dài lắng khi ta xoay các cửa chảy tràn. Lỗ chảy tràn càng gần trục quay thì lớp nước càng sâu, chiều dài lắng càng dài, lắng được các hạt có kích thước nhỏ. Ưu điểm của máy này là phân ly được huyền phù mịn, năng suất lớn. Nhược điểm là tốn nhiều năng lượng để tháo bã, tổn thất trong hộp giảm tốc vi sai lớn, bã bị vụn nát, nước trong còn lẫn nhiều hạt rắn; máy làm việc nặng nề, ồn ào. 107 huyền phù nước rắn Lỏng Hình 3.13a,b. Máy ly tâm lắng liên tục tháo bã bằng vít xoắn - Máy phân ly siêu tốc loại dĩa Máy phân ly siêu tốc loại dĩa có nhiều loại: loại hở, loại kín, loại nửa kín, loại tháo bã bằng tay và bằng ly tâm. Ðây là nhóm có nhiều máy nhất trong các loại máy ly tâm siêu tốc. Máy ly tâm siêu tốc loại dĩa dùng để phân li huyền phù có hàm lượng pha rắn nhỏ hoặc phân ly nhũ tương khó phân ly. Máy ly tâm siêu tốc loại dĩa dùng để tách bơ trong sữa, tinh luyện dầu thực vật và lắng trong các chất béo. Bộ phận chủ yếu của máy là rôto gồm các dĩa chồng lên nhau với một khoảng cách thích hợp. Nếu phân li nhũ tương trên các dĩa đều có khoan lỗ, ở dĩa giữa các lỗ phải nằm trên đường thông thẳng đứng, qua đó sản phẩm ban đầu đi vào khe hở giữa các dĩa. Khoảng cách giữa các dĩa 0,4-1,5mm. Dĩa trên được giữ nhờ các gân trên mặt ngoài của dĩa dưới. Ðộ nghiêng của dĩa nón cần đủ đảm bảo để hạt vật liệu trượt xuống tự do (thường góc nửa đỉnh nón từ 30-500) 108 Hình 3.14. Máy phân ly nhũ tương siêu tốc loại đĩa 4.4.2. Máy ly tâm lọc Ðây là loại máy làm việc gián đoạn, có thể tháo bã bằng tay, bằng dao hoặc bằng khí động, thường dùng để ly tâm huyền phù chứa các hạt rắn nhỏ, trung bình hoặc làm khô bã lọc. - Máy ly tâm ba chân Máy gồm có rôto được bao bọc bởi vỏ. Thân máy gắn với vỏ được đặt trên 3 lò xo cánh nhau 120O. Ðộng cơ lắp trân thân máy nối với bánh đai ở phía dưới rồi truyền sang trục máy làm quay rôto. Ưu điểm của máy là có thể làm việc với tải trọng lệch tâm tương đối lớn nhờ có các lò xo giảm chấn. Ðiểm treo của kết cấu nằm trên trọng tâm phần treo nên khi làm việc máy rất ổn định. Trục máy ngắn nên máy gọn, chắc chắn, tiện lợi cho việc tháo bã bằng tay (hình 3.15). Nhược điểm của máy là ổ trục và bộ phận truyền động đặt ở dưới nên dễ bị ăn mòn hoá học - Máy ly tâm liên tục tháo bã bằng lực ly tâm Máy ly tâm tháo bã bằng lực ly tâm gồm có roto lọc hình côn, lắp công-xôn trên trục thẳng đứng, trục quay trên các ổ đỡ . Ổ đỡ được đặt trên các bộ giảm chấn bằng cao su. Rôto quay được nhờ động cơ qua bộ phận truyền động đai. Nguyên liệu liên tục chảy thành dòng vào trong rôto hình côn. Do tác dụng của lực ly tâm, huyền phù di chuyển dọc theo lưới lọc của roto. Chất lỏng được tách ra qua lỗ lưới của rôto, còn bã được rửa sạch và làm khô. Thành phần lỏng đi vào bộ phận chứa hình vành khăn, phần bã rắn chuyển động lên trên văng ra khỏi rôto và được đưa vào thùng chứa. Góc nghiêng của rôto lọc phải bảo đảm cho huyền phù chuyển động lên phía trên, dưới tác động của áp suất phần nguyên liệu mới đưa vào. Lỗ của lưới lọc của roto lọc hình côn dạng khe có chiều rộng khoảng 0,04-0,15mm. Vì thế mà sức cản của lưới lọc rất lớn, tương đương với sức cản của bã (có chiều dày khoảng vài milimet). 109 Hình 3.15. Máy ly tâm lọc ba chân - Máy ly tâm liên tục tháo bã bằng lực ly tâm Máy ly tâm tháo bã bằng lực ly tâm gồm có roto lọc hình côn, lắp công-xôn trên trục thẳng đứng, trục quay trên các ổ đỡ . Ổ đỡ được đặt trên các bộ giảm chấn bằng cao su. Rôto quay được nhờ động cơ qua bộ phận truyền động đai. Nguyên liệu liên tục chảy thành dòng vào trong rôto hình côn. Do tác dụng của lực ly tâm, huyền phù di chuyển dọc theo lưới lọc của roto. Chất lỏng được tách ra qua lỗ lưới của rôto, còn bã được rửa sạch và làm khô. Thành phần lỏng đi vào bộ phận chứa hình vành khăn, phần bã rắn chuyển động lên trên văng ra khỏi rôto và được đưa vào thùng chứa. Góc nghiêng của rôto lọc phải bảo đảm cho huyền phù chuyển động lên phía trên, dưới tác động của áp suất phần nguyên liệu mới đưa vào. Lỗ của lưới lọc của roto lọc hình côn dạng khe có chiều rộng khoảng 0,04-0,15mm. Vì thế mà sức cản của lưới lọc rất lớn, tương đương với sức cản của bã (có chiều dày khoảng vài milimet). (Hình 3.16) 110 Hình 3.16. Máy ly tâm liên tục tháo bã bằng lực ly tâm 4.5. Mục đích của ly tâm và phạm vi ứng dụng 4.5.1. Mục đích + Chuẩn bị cho quá trình tiếp theo, ví dụ li tâm trước khi đun nóng để tách các phần tử gây cháy hoặc tách vi khuẩn, li tâm trước khi lọc nhằm để tăng năng suất máy, giảm thời gian lọc, giảm hao phí trong sản xuất nước quả, dầu thực vật... + Làm sạch, tách tạp chất trong sản xuất dầu ăn, sản xuất tinh bột... + Khai thác thu nhận sản phẩm từ hỗn hợp bao gồm các pha rắn và dung dịch bao quanh nó như saccharose, mì chính...sau kết tinh, thu nhận chế phẩm enzym sau kết tủa... + Phân ly sản phẩm, ví dụ trong công nghiệp sản xuất sữa. 4.5.2. Phạm vi ứng dụng + Ly tâm lắng là phương pháp phân riêng một cách nhanh chóng các loại huyền phù có nồng độ pha rắn khác nhau. Khi huyền phù có nồng độ pha rắn nhỏ thì gọi là làm trong, khi nồng độ pha rắn lớn thì gọi là lắng ly tâm. Ly tâm lắng thường dùng để phân ly hỗn hợp có chênh lệc khối lượng riêng giữa hai pha (∆ρ) nhỏ (lắng cái men, thu nhận enzym, acid amin…). + Ly tâm lọc thường để phân riêng các huyền phù khó lắng, khó lọc hoặc có nồng độ thấp. Trong nhà máy đường, ly tâm lọc thường dùng để phân riêng đường non (tách mật ra khỏi tinh thể đường. Cần chú ý lượng huyền phù cho ly tâm nên ở mức 3/4 của thùng chứa. 111 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Thế nào là hệ không đồng nhất? Hãy nêu các hệ không đồng nhất. 2. Trình bày cơ sở phương pháp và những biến đổi vật liệu trong quá trình lắng 3. Trình bày nguyên tắc lọc, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc và ứng dụng của quá trình lọc trong công nghiệp thực phẩm. 4. Trình bày bản chất quá trình ly tâm, phân loại quá trình ly tâm, ứng dụng của ly tâm 5. Trình bày nguyên lý làm việc của máy lọc chân không thùng quay. 6. Trình bày những biến đổi của vật liệu sau khi thực hiến các quá trình lắng, lọc, ly tâm 7. Nêu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ác thiết bị liên quan của các quá trình lắng, lọc, ly tâm 8. Tính diện tích đáy và chiều cao thiết bị lắng để lắng huyền phù có các số liệu thực nghiệm sau Tỷ lệ huyền phù cho 10 m3 nước/tấn bã rắn. Tỷ lệ sau khi lắng n = 1,25m3 nước/tấn bã rắn. Vận tốc lắng lúc bắt đầu ω0 = 0,5m/h Thời gian lắng vùng nén t =1h Thời gian lắng cực đại t =2,4h Tỷ lệ huyền phù vào vùng nén nK = 2 m3/tấn bã rắn Biết rằng lượng bã thu được 16 tấn trong 24 h. khối lượng riêng của bã ρr =2620kg/m3 10. Một thiết bị lắng mỗi giờ thu được một lượng chất lỏng trong là 90m3. Nồng độ huyền phù trước khi lắng là 0,01kg rắn/ kg lỏng, nồng độ cuả bã là 0,04kg rắn/kg lỏng. Thiết bị lắng gồm có 3 tầng. Hãy xác định diện tích lắng của mỗi tầng và đường kính của thiết bị. 11. Khi lọc huyền phù bằng thiết bị lọc ép, bề mặt lọc là 900cm2, ta được các số liệu sau đây Lần thí nghiệm ấp suất lọc (at) Thời gian lọc (phút) Lượng nước lọc (lít) 1 1,75 13,3 1,8 49,1 3,57 2 3,5 12,2 1,9 42,6 3,6 3 5,3 11,7 2,0 35,5 3,5 4 7,0 11,3 2,1 32,8 3,6 a. Xác định các hằng số K, Vtd b. Vẽ đồ thị quan hệ giữa K và p. 112 Chương 4. PHỐI TRỘN, PHÂN LOẠI THỰC PHẨM 1. PHỐI TRỘN Kỹ thuật phối trộn có ứng dụng rất rộng trong nhiều công nghệ thực phẩm, nơi mà nó được dùng để phối hợp các thành phần dinh dưỡng để đạt được các tính chất chức năng hoặc các tính chất cảm quan khác nhau. Các ví dụ về ứng dụng phối trộn có thể kể đến như sự phát triển cấu trúc trong bột nhào và kem, điều chỉnh sự kết tinh đường và của bột nhão và một số sản phẩm chocolate. Trong một số sản phẩm, sự phối trộn đầy đủ là cần thiết để bảo đảm sự cân đối của mỗi thành phần tuân theo các tiêu chuẩn qui định. 1.1. Khái niệm Phối trộn là một hoạt động nhằm tạo nên một hỗn hợp từ ít nhất hai cấu tử bằng cách phân tán một một cấu tử vào các cấu tử khác. Thành phần lớn hơn đôi khi được gọi là pha liên tục và thành phần ít hơn là pha phân tán, tương tự như trong hệ nhũ tương. Phối trộn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, trong đó phối trộn dùng để phối hợp nhiều thành phần dinh dưỡng để đạt được những tính chất chức năng hoặc đặc tính cảm quan khác nhau. Trong một số thực phẩm, sự phối trộn thích hợp là cần thiết để bảo đảm sự cân đối của mỗi thành phần theo tiêu chuẩn quy định. Người ta còn phân ra: Phối trộn là quá trình trộn giữa hai hay nhiều cấu tử (thành phần) khác nhau để thu được một hỗn hợp (sản phẩm) đáp ứng yêu cầu đã định. Đảo trộn là quá trình cơ học nhằm khuấy trộn các thành phần trong hỗn hợp để chúng phân bố đều nhau. Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm đã được phối trộn có một số đặc điểm khác so với các ứng dụng phối trộn trong công nghiệp khác. Trong công nghiệp thực phẩm, phối trộn có các đặc điểm: - Để phát triển các đặc tính sản phẩm mong muốn, hơn là bảo đảm hoàn toàn đồng nhất - Các nguyên liệu được đưa vào phối trộn thường nhiều thành phần, bao gồm các chất dinh dưỡng khác nhau về chất lượng và tính chất vật lý - Một số thành phần có thể bị phá hỏng khi bị đảo trộn mạnh - Có sự liên quan giữa phối trộn với đặc tính của sản phẩm Tiêu chuẩn của sự phối trộn thành công trước hết là đạt được chất lượng sản phẩm có thể chấp nhận được (về đặc tính cảm quan, tính chất chức năng, độ đồng nhất,…), kèm theo việc bảo đảm đầy đủ tính vệ sinh, an toàn thực phẩm, hiệu suất sản xuất và hiệu suất năng lượng,… 1.2. Cơ sở tiến hành phối trộn - Chọn nguyên liệu phối chế: Để đạt được mục đích, trước tiên phải biết rõ tính chất vật lý, hóa học, sinh học... của các thành phần tham gia phối chế. Trên cơ sở đó ta có thể chọn nguyên liệu phối chế. Đây là vấn đề cần được quan tâm vì ngoài yêu cầu bổ sung cho nhau một hay nhiều chỉ tiêu nào đó, các thành phần khác của các cấu tử không được gây xấu đến chất lượng của sản phẩm (không làm thay đổi màu, mùi, vị, trạng thái khác với yêu cầu). - Xác định tỷ lệ phối chế: Sau khi đã lựa chọn được cấu tử tham gia phối chế, cần phải xác định tỷ lệ phối chế theo phương pháp thực nghiệm hoặc tính toán nhằm đạt tới mục tiêu chất lượng và hiệu quả cao. Đối với các thực phẩm lỏng, khi yêu cầu phối chế là để thay đổi hàm lượng chất khô thì hàm lượng các thành phần tham gia phối chế được tính theo một trong các phương pháp sau: Phương pháp đại số, phương pháp nhân chéo,phương pháp đồ thị,… 113 - Thời điểm thực hiện quá trình: tùy theo yêu cầu của qui trình công nghệ, các cấu tử có thể phối chế ở những thời điểm khác nhau trong qui trình. Các cấu tử có thể phối chế cùng lúc hay nhiều thời điểm khác nhau. - Cách phối chế: Trước khi đi vào phối chế với cấu tử chính, các cấu tử khác nên phối chế với nhau trước. 1.3. Đặc điểm tính chất nguyên liệu và những biến đổi trong quá trình - Nguyên liệu Nguyên liệu đưa vào phối chế thường khác nhau về tính chất vật lý, hóa học, cảm quan... Mỗi loại nguyên liệu tương ứng với một giá trị chất lượng nhất định. Phối chế các loại nguyên liệu với nhau là để bù trừ cho nhau những thành phần chất lượng, sản phẩm thu được sẽ đầy đủ hơn về chất lượng so với từng cấu tử một. Trước khi phối chế các cấu tử có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như dạng lỏng (nước quả, các loại dung dịch đường, các loại rượu,...); dạng rắn hoặc bột rời như bột mì, đường kính, muối...; dạng bán lỏng (dạng sệt) như các loại bột nhuyễn từ quả, thịt cá băm nhuyễn. Quá trình phối chế có thể thực hiện với những nguyên liệu cùng pha hoặc khác pha. - Sản phẩm Sau phối chế các cấu tử có thể dễ dàng hòa tan vào nhau thành một hỗn hợp đồng nhất dưới dạng dung dịch cùng pha. Nhưng cũng có thể không hòa tan được vào nhau, sản phẩm phối trộn sẽ là một hỗn hợp giữa các cấu tử riêng lẻ. Trong trường hợp này cần phải có tác động tích cực của quá trình đảo trộn. - Những biến đổi + Biến đổi một số chỉ tiêu vật lý (thay đổi khối lượng riêng của hỗn hợp; thay đổi độ cứng, độ mềm, độ dẻo, độ trong, độ khúc xạ ánh sáng; thay đổi hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng....) + Biến đổi về hóa lý: chủ yếu là thay đổi về hàm lượng chất khô. + Biến đổi trạng thái của sản phẩm: trạng thái của cấu tử chính thường quyết định trạng thái của hỗn hợp. + Thay đổi về thành phần hóa học, sinh học, cảm quan: Những chỉ tiêu này là đối tượng điều khiển của người phối chế. Tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm người ta có thể điều chỉnh tăng lên hoặc giảm xuống những chỉ tiêu cần thiết bằng cách bổ sung nguyên liệu này hoặc nguyên liệu khác vào hoặc tăng tỷ lệ nguyên liệu này, giảm tỷ lệ nguyên liệu kia. + Những biến đổi khác: trong quá trình đảo trộn, dưới tác dụng cơ học của cánh khuấy nên các cấu tử tiếp xúc với nhau nhiều hơn, tăng khả năng liên kết giữa chúng, nâng cao độ đồng nhất của sản phẩm. Đảo trộn còn làm tăng tốc độ trao đổi nhiệt giữa sản phẩm với sản phẩm hoặc giữa sản phẩm với thiết bị. 1.4. Thiết bị phối trộn - Phối trộn chất lỏng bằng cơ học Trong quá trình phối trộn bằng cơ học, chất lỏng được trộn đều trong máy khuấy trộn với bộ phận cánh khuấy (Hình 4.1). Khi mái chèo của cánh khuấy chuyển động thì chất lỏng chảy quanh mái chèo và tạo nên lớp ngoài sát thành có áp suất phía trước và phía sau đồng nhất. Tăng tốc độ chuyển động của mái chèo trong môi trường lỏng thì lớp phía sau sát thành bắt đầu tách khỏi bề mặt của mái chèo. Áp suất trong vùng xoáy trở nên thấp hơn so với áp suất ở phía trước mái chèo. Như vậy khi tăng số vòng quay của cánh khuấy thì tốn nhiều năng lượng hơn để khuấy trộn chất lỏng. 114 Độ cao mà chất lỏng dâng lên ở thiết bị trong thời gian khuấy trộn phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng và số vòng quay của cánh khuấy. Hiệu quả của quá trình khuấy trộn được xác định bằng thời gian cần thiết để bảo đảm cho quá trình được hoàn toàn. - Phối trộn chất lỏng bằng khí Quá trình này được thực hiện trong thùng, ở phần dưới thùng có đặt các ống có lỗ gọi là thiết bị sủi bọt bằng khí. Người ta cho không khí có áp suất, khí trơ hoặc hơi nước vào bên trong ống sủi bọt, không khí thoát qua lỗ của ống sủi bọt tạo nên nhiều tia nhỏ phun đến các phía khác nhau và cuốn theo các phần tử chất lỏng. Cường độ khuấy trộn tăng lên khi tăng áp suất của luồng khí. Trong một số trường hợp, người ta dùng thiết bị sủi bọt vào công nghiệp thực phẩm để đun nóng và khuấy trộn nguyên liệu cũng như để tách các tạp chất ra khỏi nguyên liệu. - Phối trộn vật liệu rời và dẻo Được áp dụng trong sản xuất bánh mì, chế biến bột làm bánh kẹo… Hiệu quả của việc phối trộn vật liệu rời được đặc trưng bằng mức độ phân phối đều đặn các nguyên liệu trong hỗn hợp. Để thực hiện quá trình này, ta dùng các loại máy trộn kiểu vít tải, máy trộn bằng mái chèo, máy trộn bằng cánh khuấy ribbon (hình 4.2). Những máy trộn này chứa nguyên liệu trộn khoảng 1/3 dung tích máy. Đôí với các vật liệu dẻo như các loại bột nhão, kem đặc, khối sôcôlat, thịt băm nhỏ và rau băm nhỏ… ta dùng máy trộn vít tải nằm ngang có cánh uốn cong đặc biệt. - Thiết bị phối trộn giữa bột – lỏng Thiết bị này dùng để phối trộn các loại hạt vào trong dung dịch lỏng. Chúng hoạt động bằng cách tạo nên một dòng bột đồng nhất và phun vào dung dịch lỏng. Các hạt bột có thể đựợc phối trộn với dung dịch lỏng bằng cách bơm chúng trong đường ống có lắp đặt bên trong có các lưỡi trộn (hình 4.3) a) b)b) 115 c) d) Hình 4.1. Các dạng cánh khuấy: a) cánh khuấy đĩa chong chóng, b) cánh khấy chân vịt, c) cánh khuấy lưõi phẳng, d)cánh khuấy mỏ neo 1.5. Mục đích phối trộn và phạm vi ứng dụng của quá trình Phối trộn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm với những mục đích sau: - Quá trình phối chế được thực hiện với nhiều mục đích khác nhau: + Tạo ra sản phẩm mới: đa số loại sản phẩm thực phẩm không phải từ một loại nguyên liệu mà gồm hai hay nhiều loại khác nhau. Tỷ lệ giữa các loại nguyên liệu nhiều khi xấp xỉ nhau. Những thành phần tham gia sản phẩm mới không thể thiếu được, chúng phải được phối trộn với nhau để cho sản phẩm có chất lượng đặc trưng (thức ăn gia súc hỗn hợp). + Tăng chất lượng sản phẩm: có một số sản phẩm tồn tại một mình thì không tốt lắm nhưng khi bổ sung cho chúng một số thành phần khác mặc dầu với khối lượng ít cũng có tác dụng làm tăng chất lượng của sản phẩm lên. Để tăng giá trị cảm quan trộn thêm chất màu, hương liệu... vào sản phẩm. + Điều chỉnh nồng độ: phối chế nhằm điều chỉnh các thành phần có sẵn trong sản phẩm khi nó chưa đạt yêu cầu. Ví dụ: độ khô của nước dứa có thể thấp so với tiêu chuẩn sản phẩm nên để đủ thì cần phải phối chế thêm xirô đường. +Hỗ trợ cho các quá trình công nghệ: có khi phối chế chỉ để hỗ trợ cho một công đoạn kỹ thuật. Ví dụ: trộn thêm nước để nhào bột mỳ tạo điều kiện cho quá trình định hình được dễ. Trộn một số chất tạo môi trường, chất xúc tác cho quá trình lên men nước chấm, mì chính... - Đảo trộn, nếu xét trên phạm vi rộng thì như là một quá trình cơ học được thực hiện nhằm mục đích: + Phân bố đồng nhất các cấu tử trong hỗn hợp. + Tạo điều kiện cho các quá trình hóa học, sinh học tiến triển nhanh hơn, triệt để hơn. + Tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và chuyển khối. + Chống hiện tượng tạo nhiệt độ cục bộ. 116 Hình 4.2 Cánh khuấy Ribbon 1.6. Ảnh hưởng của phối trộn đến chất lượng thực phẩm Tác động của thiết bị phối trộn không ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dinh dưỡng cũng như thời hạn sử dụng của thực phẩm, nhưng có thể chúng có ảnh hưởng gián tiếp bởi có sự phản ứng với nhau của các hợp chất khi phối trộn. Đặc tính và mức độ của phản ứng phụ thuộc vào những hợp chất có liên quan và cũng có thể phản ứng tăng nhanh hơn nếu như có lượng nhiệt đáng kể được sinh ra trong thiết bị phối trộn. Nhìn chung phối trộn có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cảm quan và đặc tính chức năng của thực phẩm. Ví dụ phát triển gluten đã được trong quá trình làm bột nhào là do có sự co giãn và gấp lại. Phân tử protein sắp xếp, duỗi thẳng và dãn ra cùng với sự phát triển sức bền của gluten tạo ra cấu trúc mong muốn của bánh mỳ. Ảnh hưởng chính của phối trộn tăng mức độ đồng nhất của sản phẩm bởi sự phân bố đều các thành phần nguyên liệu trong toàn bộ thiết bị Nạp hạt Phun nước Phun ngang Phun đứng Hình 4.3.Thiết bị trộn hạt – dung dịch lỏng 117 2. PHÂN LOẠI 2.1. Khái niệm Vật liệu rời là các vật liệu dạng hạt như đường, bột, hạt ngũ cốc, v.v.. Thông thường vật liệu rời bao gồm nhiều thành phần khác nhau và thường không hoàn toàn đồng nhất. Sự phân chia khối vật liệu rời theo một tính chất vật lý nào đó được gọi chung là quá trình phân loại-làm sạch vật liệu rời. Tuy nhiên tùy theo công việc cụ thể, các máy phân loại-làm sạch có thể được gọi là máy phân loại hay máy làm sạch. Máy phân loại và máy làm sạch có thể được phân biệt như sau: − Máy làm sạch tách phần vật liệu được xem là tạp chất ra khỏi khối hạt nguyên liệu ban đầu để thu được khối hạt có tính chất công nghệ như nhau. Ví dụ như tách các loại tạp chất rơm rạ ra khỏi khối hạt thóc lúa. − Máy phân loại chia khối vật liệu ban đầu thành nhiều loại khác nhau dựa trên một số đặc điểm, tính chất nào đó, thí dụ như phân chia hạt thóc thành loại hạt dài và hạt ngắn. Trong công nghệ thực phẩm, các máy phân loại được chia thành hai nhóm: − Nhóm đơn giản: Các máy phân loại thuộc nhóm này có nhiệm vụ phân loại hỗn hợp thành hai thành phần theo một dấu hiệu riêng, thí dụ mặt sàng với một loại lỗ (cùng kích thước và hình dạng lỗ), máy chọn theo cỡ hạt, ống phân loại,... − Nhóm phức tạp: Các máy phân loại theo nhóm này có cấu tạo gồm hai hoặc nhiều máy đơn giản trong một hệ thống hoàn chỉnh và có thể tách một hỗn hợp thành ba hoặc bốn thành phần trở lên theo những tính chất riêng. Ví dụ sàng quạt có thể phân loại hỗn hợp thành nhiều thành phần theo kích thước khối lượng riêng và tính chất khí động của các cấu tử (các loại tạp chất như rác, bụi, hạt lép được tách riêng ra khỏi khối hạt chính. Hiện nay trong sản suất, quá trình phân lọai có thể thực hiện trên một số máy theo các nguyên lý sau: − Phân loại theo kích thước hình học của hạt: dùng các loại máy sàng, máy rây và ống phân loại hạt kiểu ống trụ. − Phân loại theo trạng thái bề mặt của hạt: máy gằn thóc khỏi gạo lức (máy sàng Pakis, máy sàng kiểu khay). − Phân lọai theo khối lượng riêng: dùng băng tải nghiêng, mặt xoắn ốc, các lọai máy gằn đá, sàng Pakis, sàng kiểu khay. − Phân loại theo tính chất khí động của hạt: dùng quạt thổi hoặc hút − Phân lọai theo từ tính: dùng nam châm vĩnh cửu và nam châm điện để tách các tạp chất sắt. − Phân loại theo màu sắc: dùng các máy phân loại bằng điện tử và quang điện 2.2. Các phương pháp phân loại 2.2.1 Phân loại theo tính chất của bề mặt nguyên liệu Các cấu tử khác nhau trong khối hạt có trạng thái bề mặt không giống nhau. Bề mặt của chúng có thể xù xì, rỗ, nhẵn bóng, có vỏ hoặc không vỏ v.v.. Những trạng thái bề mặt khác nhau ấy có thể áp dụng để phân loại trên mặt phẳng nghiêng. Khi các phần tử có trạng thái bề mặt không giống nhau chuyển động trên mặt phẳng nghiêng sẽ chuyển động với những vận tốc khác nhau. Vì vậy nên có những phần tử rơi xa hơn, có những phần tử rơi gần hơn. Nếu đặt trên quỹ đạo rơi những tấm chắn thì có thể phân lọai hỗn hợp ra làm nhiều phần khác nhau theo tính chất bề mặt. Các thiết bị phân loại cố định đều dựa vào nguyên tắc trên để phân lọai, trong đó có cả thiết bị phân loại hạt dạng cầu và hạt dẹt. Phương pháp phân loại 118 dựa vào sự khác nhau về hệ số ma sát có ý nghĩa rất lớn trong trường hợp phân lọai hỗn hợp gồm hai hoặc nhiều dạng hạt có kích thước gần nhau. 2.2.2 Phân loại theo những tính chất khí động học Phương pháp phân loại này dùng sức gió, dựa vào tính chất khí động học để phân chia khối hạt thành các phần khác nhau. Những tính chất khí động phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, khối lượng, trạng thái bề mặt và vị trí của phần tử trong dòng không khí cũng như trạng thái của không khí. Với đặc tính sức cản không giống nhau trong khi chuyển động trong dòng khí làm cho điểm rơi khác nhau, hạt có sức cản lớn, khối lượng nhỏ sẽ rơi xa còn hạt có sức cản nhỏ sẽ rơi sớm hơn. Căn cứ vào vị trí rơi của hạt có thể phân chia thành nhiều loại khác nhau Khả năng phân riêng của hỗn hợp theo một tính chất vật lý nào đó là cơ sở để chọn máy phân loại. Căn cứ vào các nghiên cứu thực nghiệm, có thể xác định được những tính chất nào cho phép phân riêng hỗn hợp một cách tốt nhất 2.2.3 Phân loại dựa vào khối lượng riêng Các tạp chất như đất, đá, sỏi, mảnh thủy tinh v.v.. rất khó tách ra khi phân loại theo kích thước vì chúng rất gần với kích thước của hạt. Tuy nhiên do khối lượng riêng của chúng khác nhau nên có thể dựa vào sự khác nhau đó để phân loại. Nếu các cấu tử trong hỗn hợp cần phân loại có sự khác nhau rõ rệt về khối lượng riêng thì càng dễ để phân chia riêng ra. Khối lượng riêng khác nhau có thể dẫn tới sự phân lớp của hạt hoặc có hướng chuyển động khác nhau do tác động của lực quán tính. Sự phân lớp xảy ra khi khối hạt có chuyển động thích hợp sẽ làm cho thành phần khối lượng riêng nhỏ nổi lên phía trên còn thành phần khối lượng riêng lớn nằm bên dưới. 2.2.4 Phân loại dựa vào từ tính Tạp chất sắt có thể làm hư hỏng bộ phận làm việc của máy, đặc biệt là các máy có vận tốc làm việc lớn hoặc có khe hở làm việc nhỏ, và có thể bật tia lửa gây ra hỏa hoạn. Các loại tạp chất sắt, gang, niken, coban đều có thể dùng nam châm tách ra được, thường dùng nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện để tách các tạp chất sắt. Ðối với nam châm vĩnh cữu phải đảm bảo lực hút khoảng 12 N. Lớp hạt chảy qua nam châm không được quá dày. Ðể đảm bảo vận tốc chảy của dòng hạt thì góc nghiêng của đường ống tự trượt nơi đặt nam châm chỉ được lớn hơn góc nghiêng tự nhiên của hạt 3- 6O 2.3. Thiết bị phân loại 2.3.1. Sàng phẳng Sàng phẳng là một loại thiết bị phân loại-làm sạch được sử dụng từ lâu. Sàng phẳng có thể là công cụ đơn giản làm bằng các loại vật liệu tre trúc hoặc có thể là một máy sàng hiện đại có khả năng phân loại chính xác các loại vật liệu rời theo các kích thước khác nhau (Hình 4.4). Nguyên tắc làm việc của sàng phân loại là phân chia khối vật liệu theo kích thước nhờ một bề mặt kim loại có đục lỗ hoặc lưới. Vật liệu chuyển động trên mặt sàng và được phân chia thành hai loại: • Phần lọt qua sàng là những hạt có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ sàng • Phần không qua sàng có cỡ lớn hơn kích thước lỗ sàng, do đó sẽ nằm lại trên bề mặt của sàng 119 Tùy theo yêu cầu vật liệu rời cần phân loại, có thể bố trí các hệ thống sàng gồm nhiều lớp. Ví dụ, sàng 2 lớp sẽ phân chia nguyên liệu thành 3 loại kích thước khác nhau, sàng 3 lớp sẽ phân chia vật liệu thành 4 cỡ kích thước... Kích của lỗ sàng ở lớp trên lớn hơn ở lớp sàng dưới. Quá trình chuyển động sàng giúp cho có quá trình phân loại-làm sạch xảy ra tốt hơn do tạo cơ hội để cho hạt tiếp xúc với lỗ sàng. Trong trường hợp làm việc liên tục, sàng được đặt nghiêng một góc từ 2 - 7o, hạt sẽ có khuynh hướng di chuyển xuống phía dưới. Quá trình di chuyển như vậy giúp cho hạt có kích thước nhỏ sẽ chui qua lỗ sàng. Phần hạt không qua sàng sẽ được hứng ở phía đầu thấp của sàng. Tùy theo bố trí hệ thống truyền động, chuyển động của sàng có thể khác nhau làm cho chuyển động của hạt trên sàng cũng khác nhau. Thông thường sàng được thiết kế sao cho hạt có cả chuyển động xuống và lên nhưng với khoảng đi xuống dài hơn khoảng đi lên. Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất của sàng có thể kể đến là: • Diện tích bề mặt sàng, là thông số quan trọng nhất. Diện tích càng lớn, năng suất càng lớn. Tổng diện tích lỗ sàng cũng ảng hưởng trực tiếp đến năng suất sàng. • Tốc độ chuyển động của sàng. Tốc độ càng lớn, năng suất càng lớn • Số vật liệu qua lỗ sàng. Lượng vật liệu nhỏ hơn lỗ sàng càng nhiều, năng suất sàng càng giảm do cần nhiều thời gian hơn để tách phần vật liệu nầy. Ðối với một sàng đã có sẵn, diện tích mặt sàng và tốc độ chuyển động của sàng hầu như không điều chỉnh được, do đó để điều chỉnh khả năng làm việc của sàng, người ta thay đổi lượng nhập liệu. 2.3.2. Sàng ống quay Sàng ống quay gồm có một ống bằng lưới được truyền động quay với số vòng quay khoảng 5-10 v/ph. Nguyên liệu cần làm sạch đi ngang qua ống quay hoặc đổ vào bên trong ống. Trường hợp đi bên ngoài, vật liệu di chuyển ngang qua ống, phần có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ chui qua lưới rơi xuống phía dưới, phần có kích thước lớn không qua lưới được đi ngang qua ống và được hứng phía sau. Trường hợp nguyên liệu đổ vào bên trong ống, khi ống quay, phần có kích thước nhỏ rới qua lỗ lưới, phần có kích thước lớn di chuyển dọc theo ống đến đầu kia. Vật liệu di chuyển từ đầu nầy đến đầu kia được là nhờ ống đựơc đặt nghiêng một góc 2-5o. Năng suất của sàng ống quay tuỳ thuộc vào kích thước của ống lưới quay, ống càng lớn năng suất càng cao. Ưu điểm của sàng ống quay là cấu tạo đơn giản, làm việc êm, không gây rung động mạnh như sàng phẳng, không chiếm nhiều mặt bằng. Nhược điểm là không phân riêng được các hỗn hợp có kích thước gần bằng nhau, tỉ lệ sót còn lớn. Sàng ống quay thường dùng để làm sạch các loại hạt nông sản, tách bụi, cát và các tạp chất lớn, rơm, rạ,…Thường sàng ống quay được kết hợp nhiều ống và cả quạt hút để làm sạch tốt hơn. 120 Hình 4. 4. Sơ đồ cấu tạo sàng phẳng Hình 4.5. Sàng ống quay 121 Hình 4.6. Sàng ống quay phân loại hạt dùng trong nhập liệu 2.3.3. Máy tách tạp chất sắt Tạp chất sắt như bulông, đinh, thép, mạt sắt... thường lẫn trong các vật liệu rời, hạt ngũ cốc. Sắt thể làm hư hỏng máy móc sản xuất gia công chế biến, do đó cần chú ý tách sắt ra nhằm hạn chế hư hỏng. Ðể tách tạp chất sắt thường sử dụng nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện. Nam chân được lắp trên đường đi của nguyên liệu, tạp chất sắt sẽ được giữ lại còn các vật liệu khác đi qua. Phần tạp chất nầy được lấy ra định kỳ để bảo đảm khả năng làm việc của nam châm. Hình 4.7. Máy tách tạp chất sắt 122 2.3.4. Máy tách hạt màu Hạt ngũ cốc có màu khác không đặc trưng thường là các hạt không tốt hoặc hư hỏng. Để tách các hạt có màu khác thường ra khỏi khối hạt, có thể dùng máy tách hạt màu. Máy tách hạt màu làm việc dựa theo nguyên tắc phân biệt hạt màu bằng cảm biến màu của dòng hạt đang trượt trên rãnh. Nếu phát hiện hạt có màu khác lạ, một ống thổi khí sẽ thổi hạt màu ra khỏi rãnh và rơi xuống máng hứng bên dưới. Máy có thể tách hầu hết các hạt có màu sẫm ra khỏi khối hạt có màu sáng. Đối với gạo, năng suất máy có thể đạt tới 200 kg/h/rãnh. Thông thường mỗi máy có thể có từ 60-80 rãnh làm việc đồng thời. Hình 4.8. Nguyên lý tách hạt màu CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Nêu khái niệm và phạm vi ứng dụng của quá trình phối trộn 2. Trình bày những biến đổi của vật liệu khi thực hiện quá trình phối trộn và ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm 3. Nêu cơ sở lý thuyết và ứng dụng của quá trình phân loại 4. Trình bày các phương pháp phân loại 5. Nêu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị phân loại theo kích thước, từ tính 123 Chương 5. ÉP, LÀM NHỎ KÍCH THƯỚC 1. ÉP 1.1. Khái niệm về ép Ép là quá trình tác động lực cơ học vào vật liệu làm vật liệu bị biến dạng. Quá trình ép phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Tính chất vật liệu Quá trình ép chịu ảnh hưởng của tính chất vật liệu là sự liên kết ẩm- rắn trong vật liệu, mức độ tạo mao dẫn, độ cứng và thành phần xenluloza của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến quá trình ép. Mặt khác quá trình ép còn chịu ảnh hưởng của mức độ xử lý nguyên liệu trước khi épnhằm phá vỡ vỏ tế bào làm yếu đi các liên kết hóa lý. Mục đích của gia đoạn xử lý trước hết là để phá vỡ hoặc làm yếu các liên kết hóa lý, phá vỡ vỏ tế bào, sắp xếp lại lớp nguyên liệu, đưa nguyên liệu vào máy liên tục v.v... Có thể dùng phương pháp cơ học, nhiệt hoặc enzim để xử lý nguyên liệu. Ví dụ: Ép mía: Trước khi ép mía, ta cần băm nhỏ, phá vỡ lớp vỏ cứng làm cho tế bào chứa nước đường lộ ra. Trong khi ép dùng nước nóng và nước mía loãng thẩm thấu vào bã mía để hòa tan thêm lượng đường trong bã mía để đạt hiệu suất ép cao nhất. Ép trái cây: Trong quá trình ép trái cây cần phải gọt vỏ, bỏ mắt, bỏ lõi để khi ép tạp chất không lẫn vào dịch ép. Ép dầu: dầu thường liên kết chặt chẽ với các thành phần háo dầu có trong hạt nên chúng không dễ tách ra khi ép. Hơn nữa dầu nằm trong các mao quản ở khối nội nhũ của hạt nên khi ép phần nội nhũ dễ dàng bị thay đổi tính chất cơ lý làm cho các mao dẫn chứa dầu bị bít kín sớm làm dầu không thoát ra được. Để ép hạt có dầu dễ dàng, trước khi ép phải nghiền nhỏ hạt rồi xử lý bằng nhịêt (chưng bằng hơi nước rồi sấy tách bớt nước) nhằm làm yếu đi các liên kết giữa dầu và các chất háo dầu trong hạt. Đồng thời nó còn có tác dụng làm biến tính protein trong nội nhũ và làm hồ hóa phần tinh bột trong đó, kết quả phần nội nhũ trở nên đàn hồi hơn. Vì vậy, khi ép chúng không làm tắt các mao quản chứa dầu. Sau khi ép lần một lại ép lại lần hai và trước khi ép cũng chưng sấy. + Áp lực ép Dưới tác dụng của lực ép do máy ép tạo nên, khối nguyên liệu sẽ bị ép lại, áp suất chất lỏng trong tế bào tăng lên làm rách màng tế bào và làm cho chất lỏng lộ ra ngoài. Tùy tình chất của màng tế bào, các nguyên liệu khác nhau mà áp suất trong khối vật liệu ép phải đạt giới hạn nhất định để màng tế bào bị rách. Ví dụ: ép dịch trái cây, áp suất chỉ cần 7-10 atm, còn ép mía thì áp suất lên tới 300-400 atm. Nói chung khi áp lực ép tăng thì hiệu suất ép cũng tăng lên nhưng có giới hạn vì nếu áp suất tăng quá cao các mao quản bị ép sít lại cản trở sự thoát chất lỏng. Khi chọn áp lực ép cần phải xét đến tính chất nguyên liệu, loại và kích thước máy ép, vấn đề kinh tế và hiệu suất + Vận tốc máy ép Khi vận tốc tăng, năng suất ép tăng lên còn hiệu suất ép nói chung giảm xuống. Ngoài ra quá trình ép còn tùy thuộc vào loại thiết bị ép, thao tác vận hành máy ép… 1.2. Các phương pháp thực hiện quá trình ép - Có thể thực hiện ép ở áp suất hoặc nhiệt độ khác nhau. Ví dụ ép hạt có dầu nếu nhiệt độ thấp, áp suất thấp chất lượng dầu tốt nhưng hiệu suất thấp (thường ép một lần), ngược lại 124 nếu ép ở áp suất cao, nhiệt độ cao thì ép được kiệt nhưng chất lượng xấu. Vì vậy thường ép ở nhiệt độ thấp. - Thiết bị ép: có thể thực hiện quá trình ép với các loại máy ép khác nhau: + Ép thủy lực: thích hợp cho các loại vật liệu cứng (ví dụ ép hạt có dầu). Có thể dùng phối hợp ép thủy lực và ép vít tải để tăng hiệu suất ép. + Ép vít tải dùng cho vật liệu mềm như ép quả hoặc ép hạt dầu sau khi đã nghiền và chưng sấy được gói lại từng nắm. + Ép trục: dùng cho vật liệu cứng và có sợi. Có thể ép 2, 3 trục hoặc nhiều hơn nữa. + Ép khí nén: dùng cho các loại quả mềm tránh sự vò nát (ví dụ cam, bưởi ...) - Cách ép: có nhiều cách ép khác nhau, có thể ép một lần hoặc ép nhiều lần trên một máy, một bộ trục hoặc nhiều bộ trục. Ngoài ra còn có thể thực hiện ép khô (trực tiếp) hoặc ép ướt. Khi ép có tưới thêm dung dịch vào vật liệu rồi ép lại, hiệu suất ép có thể tăng lên 9295%. Vì khi cho dung dịch nước vào trích ly thì lượng chất tan sẽ trích ly vào dung dịch, khi ép sẽ thu lại được thêm một lượng dung dịch nữa. Lượng dung dịch cho thêm vào vừa đủ để tách hết dung dịch nhưng không nên quá nhiều, tốn năng lượng. Dung dịch thường được bơm vào ngay khi nguyên liệu ra khỏi máy. 1.3. Biến đổi của vật liệu trong quá trình ép Quá trình ép là một quá trình cơ học, chủ yếu là biến đổi vật lý như biến đổi cấu trúc, trạng thái liên kết, tỷ lệ giữa 2 pha rắn - lỏng hoặc lỏng - đặc. Sự giảm độ xốp tăng độ kết dính giữa các phân tử có sự biến dạng - tạo hình. Không có thay đổi đáng kể về hóa học, sinh hóa và hóa sinh. Tuy nhiên có hiện tượng tổn thất vitamin, các hoạt chất được giải phóng khỏi tế bào, các enzim cũng có khả năng giải phóng khỏi tế bào, có khả năng oxy hóa mạnh hơn, khả năng bảo quản lâu dài và tốt hơn do không còn độ hổng không khí. Trong trường hợp ép phân ly, vi sinh vật dễ tác động làm hỏng khối sản phẩm sau ép, ví dụ nước mía, nước quả v.v... Trong trường hợp đó cần phải có biện pháp xử lý khối sản phẩm sau ép để chống hoạt động của vi sinh vật. Ví dụ như gia nhiệt, bổ sung hóa chất bảo quản, v.v... 1.4. Thiết bị ép Máy ép trục vít (Hình 5.1) Dùng ép dầu ra khỏi các hạt có dầu. Nguyên tắc làm việc của máy ép trục vít là sử dụng một vít để ép nguyên liệu. Vít có hình dạng đặc biệt, lòng ép cũng được thiết kế có hình dạng đặc biệt sao cho thể tích rỗng giữa lòng ép và trục ép càng về sau càng nhỏ. Lòng ép là một ống hình trụ ghép lại bằng nhiều thanh rời gọi là thanh căn, ngay giữa 2 thanh căn là khe hở nhỏ để dầu có thể chảy ra được. Nguyên liệu cho vào máy ép bị nén dần về phía cuối máy, càng về sau thể tích khoang ép càng nhỏ, áp suất sẽ tăng, dầu sẽ thoát ra khỏi nguyên liệu theo khe hở thanh căn chảy ra ngoài ở phía dưới, bã sẽ thoát ra ở cuối lòng ép. Cuối lòng ép có bộ phận hình côn điều chỉnh khe hở ra (côn điều chỉnh). Nếu khe hở lớn, áp suất ép nhỏ và ngược lại. Nguyên liệu trước khi ép thường được chuẩn bị trước: nghiền sơ bộ, sau đó tiến hành chưng sấy bằng phương pháp nhiệt ẩm đưa nguyên liệu có dầu đến nhiệt độ, độ ẩm thích hợp cho quá trình ép, trích ly. 125 Quá trình ép thường gặp phải hiện tượng nguyên liệu dính vào trục và quay theo trục (bám đầy vào khoảng trống xung quanh trục vít), khi đó trục vít ép không còn tác dụng ép nữa và phải dừng máy để làm sạch trục vít ép. 1.5. Mục đích và phạm vi ứng dụng Ép nhằm tách pha lỏng khỏi pha rắn và làm cho sản phẩm có hình thù nhất định, nén chặt sản phẩm lại để tăng độ bền và vận chuyển được dễ dàng. Ép được ứng dụng trong các lĩnh vực như sau: - Khai thác vật liệu + Sản xuất đường: ép mía dùng lực (P) ép làm cho các tế bào chứa đường trong thân mía bị phá thủng, nước đường chảy ra ngoài. + Sản xuất nước rau quả: ép nước quả + Sản xuất dầu thực vật, tinh dầu: ép các hạt có dầu (lạc, vừng, đậu tương, cám gạo...) Dầu nằm trong phần mao quản ở nội nhủ của hạt. Sau khi hạt được xử lý như nghiền, chưng sấy, ép dưới áp lực dầu sẽ thoát khỏi mao quản ra ngoài. - Biến dạng định hình + Sản xuất đậu phụ, phomat, bơ... + Chế biến bột mì, bánh mì, mì sợi, bánh bích qui sử dụng giai đoạn ép (cán) làm cho khối bột nhào dẻo hơn do protit trong bột được trương nở triệt để. + Tạo hình: ép khối bột nhào thành sợi (mì sợi), thành ống (mì ống), bích qui thành bánh, ép đường thành viên, các loại thành phẩm khô: bánh rau, lương khô, viên canh... + Các loại bánh men, bánh thức ăn gia súc. + Ép các viên thuốc, các loại kẹo. - Chuẩn bị cho các quá trình tiếp theo: Ví dụ ép tách bớt nước thay cho giai đoạn sấy sơ bộ trong chế biến chè sẽ rẽ và tiện lợi hơn, ép cuộng thuốc lá để thái sau đó trộn với thuốc lá rời v.v... Hình 5.1. Máy ép trục vít 2. làm nhỎ kích thưỚc 2.1. Làm nhỏ kích thước nguyên liệu dạng rắn (nghiền) 2.1.1. Cơ sở lý thuyết - Khái niệm 126 Để làm nhỏ kích thước nguyên liệu dạng rắn người ta sử dụng kỹ thuật nghiền. Nghiền là quá trình làm nhỏ vật thể rắn tạo ra nhiều phần tử nhỏ hơn cho phù hợp với yêu cầu sản xuất. Để thực hiện quá trình nghiền cần phải tốn một công để thắng lực liên kết giữa các phần tử của các vật thể rắn. - Công nghiền Trong quá trình nghiền, nguyên liệu chịu tác dụng lực sẽ bị biến dạng đàn hồi, sau đó, khi vuợt quá biến dạng đàn hồi, nguyên liệu sẽ bị phá vỡ thành nhiều phần tử (hạt) mới có kích thước nhỏ hơn. Như vậy công cần thiết cho quá trình nghiền bao gồm công làm biến dạng vật liệu và công để làm nhỏ kích thước vật liệu. Công biến dạng phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu, còn công làm nhỏ vật liệu phụ thuộc vào mức độ nghiền, mức độ nghiền càng lớn, công tiêu tốn càng nhiều. Số hạt mới sinh ra tỉ lệ theo cấp số nhân với mức độ nghiền. Giả sử một hạt hình lập phương kích thước cạnh là D sau khi nghiền còn kích thước D/2 sẽ sinh ra 8 hạt mới, còn nếu là D/4 sẽ là 8 x 8 = 64 hạt, D/8 sẽ là 64 x 8 = 512 hạt, v.v.. Như vậy, trong quá trình nghiền, nếu nghiền càng mịn, số hạt mới hay các bề mặt mới được tạo ra càng nhiều, thì thời gian để nghiền sẽ càng lớn và càng tốn nhiều công. Mối quan hệ giữa tỷ lệ công tiêu hao đối với trị số bề mặt của vật liệu đã được tạo thành khi nghiền là : A1= K1. ∆F (5.1) Ở đây : A1 - công nghiền có ích ∆F - diện tích mặt mới tạo thành của vật liệu K1 - hệ số tỷ lệ - Mức độ nghiền Mức độ nghiền (ký hiệu i) là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa kích thước trung bình của nguyên liệu đưa vào nghiền và kích thước của các phần tử tạo ra sau khi nghiền. D (5.2) i= d Ở đây: i - Mức độ nghiền D - Kích thước trung bình của nguyên liệu trước nghiền, m d - Kích thước trung bình của nguyên liệu trước nghiền, m Tùy theo mức độ nghiền mà người ta phân biệt các dạng nghiền (bảng 5.1) Bảng 5.1. Phân loại mức độ nghiền Dạng nghiền Nghiền thô. Nghiền trung bình Nghiền nhỏ. Nghiền mịn. Nghiền rất mịn D, mm 1500 - 150 150 - 25 25 - 5 5-1 0,2 - 0,1 d, mm 250 - 25 25 - 5 5-1 1 - 0,05 0,05 i=D/d 3-6 4-10 5-25 Đến 100 Đến 1000 - Phương pháp nghiền Dựa vào hướng của điểm đặt ngoại lực và thời gian tác dụng của nó mà chia ra các phương pháp nghiền khác nhau (Hình 5.2): Nén ép (dùng trong máy ép trục vít); Bổ (máy đập); Va đập (máy nghiền búa); Chà xát (máy nghiền trục). Khi chọn phương pháp nghiền cần dựa vào tính chất của nguyên liệu cần nghiền như độ dẽo, độ giòn, tính bền... 127 Bảng 5.2. Liên hệ tính chất vật liệu và phương pháp nghiền Loại sản phẩm Đường, muối Ngũ cốc Quả Tính chất Bền, giòn Bền, dẽo Dẽo, mềm Phương pháp nghiền Nén ép, va đập Chà xát, bổ Chà xát 2.1.2. Máy nghiền Tùy theo kích cỡ vật liệu đem nghiền, kích thước yêu cầu của sản phẩm và căn cứ vào độ cứng vật liệu, vào yêu cầu thoát và vận chuyển sản phẩm v.v.. để chọn lọai máy nghiền thích hợp, sao cho đạt năng suất mà chi phí năng lượng lại thấp. Do đó nhiều loại máy nghiền có kết cấu khác nhau từ đơn giản đến phức tạp đã được chế tạo. - Máy nghiền búa Cấu tạo máy nghiền búa gồm một roto, trên roto có các cánh búa. Cánh búa có thể có nhiều dạng khác nhau tuỳ theo yêu cầu nghiền và cơ lý tính của nguyên vật liệu. Roto quay trên một vỏ máy được làm bằng gang đúc, có chỗ lắp lưới hoặc toàn bộ xung quanh là lưới. Loại đúc bằng gang bên trong thường lắp gờ. Loại bao xung quanh là lưới bên trong có gờ hoặc không. Nguyên liệu cần nghiền cho vào bên trong máy qua cửa nạp liệu. Do sự va đập của vật liệu với các cánh búa đang quay và với thành trong của máy, vật liệu sẽ biến dạng rồi vỡ ra thành các thành phần có kích thước nhỏ hơn. Ngoài ra khi nguyên liệu ban đầu có kích thước lớn, còn có thêm sự chà xát của vật liệu với thành trong của máy. Do bị va đập nhiều lần giữa cánh búa và vỏ máy, nguyên liệu giảm kích thước đến khi nhỏ hơn lỗ lưới, hạt sẽ theo lỗ lưới ra ngoài.Các hạt vật liệu nhỏ lọt qua lưới tự thoát ra ngoài hoặc được quạt hút ra khỏi máy, còn các hạt vật liệu to chưa lọt qua lưới lại được các búa tiếp tục nghiền nhỏ. Ðể nghiền được, động năng của búa khi quay phải lớn hơn công làm biến dạng để phá vỡ vật liệu. Do vậy, khi nghiền vật liệu lớn cần có trọng lượng búa lớn, còn khi nghiền vật liệu nhỏ cần búa nhẹ hơn. Trong trường hợp vật liệu nghiền kích thước không đều hoặc quá cứng, người ta dùng loại có cánh búa xếp. Ưu điểm: của cánh búa loại này là có thể xếp được khi qua tải hoặc vật cứng; khi vượt qua tải hay vật cứng này, cánh búa sẽ mở ra nhờ lực ly tâm. Nhược điểm: Máy nghiền búa thường không làm việc được các loại vật liệu ẩm, dẻo, hoặc bám dính. 128 Hình 5.3. Máy nghiền búa - Máy nghiền trục Nguyên lý làm việc của máy nghiền trục là cho sản phẩm cần nghiền đi qua khe hở giữa 2 trục nghiền. Hai trục nghiền hình trụ, đặt nằm ngang, có bề mặt rất cứng, trên bề mặt có thể trơn hoặc được gia công tùy theo nguyên liệu được nghiền. Ðối với sản phẩm nghiền thô, trên bề mặt trục có xẻ rãnh để đưa nguyên liệu vào dễ hơn. Trường hợp cần nghiền thật mịn, bề mặt trục thường trơn. Nguyên liệu khi đi qua khe hở giữa 2 trục sẽ bị ép, kích thước nhỏ lại. Ðối với quá trình nghiền thật mịn, nhiều khi nguyên liệu cần nghiền uớt. Ðể đảm bảo kích thước hạt sau khi nghiền, có thể nghiền nhiều lần bằng cách hồi lưu lại sản phẩm nghiền hay nghiền qua nhiều máy liên tục. Bộ phận thoát tải là hệ thống lò xo ép 2 trục nghiền với nhau. Khi vật cứng qua khe hở máy nghiền hay khi vật liệu qua quá nhiều,bộ phận thoát tải làm việc, khi đó hệ thống lò xo bị ép lại, khe hở lớn ra và vật cứng đi qua dễ dàng mà không làm hư máy. Ðối với các máy nghiền mịn không có bộ phận thoát tải (có ở nghiền thô và trung bình). 2.2. Làm nhỏ kích thước nguyên liệu dạng lỏng (đồng hóa) 2.2.1. Cơ sở lý thuyết Nguyên tắc làm việc của máy đồng hoá là tăng áp suất chất lỏng (nguyên liệu ban đầu) đến 150-500 atm, sau đó cho chất lỏng thoát qua một khe hở hẹp. Khi đó, do giảm áp suất đột ngột nên tốc độ của chất lỏng rất lớn, các chất lỏng khuếch tán vào nhau tạo hệ nhũ tương. Trường hợp làm mịn huyền phù, cũng do sự giảm áp suất đột ngột làm cho các phần tử rắn (chẳng hạn thịt quả) bị xé nhỏ. Sau khi đi qua máy đồng hoá, ta thu được sản phẩm đồng nhất. 2.2.2. Máy đồng hóa Máy đồng hoá (hình 5.4) bao gồm một bơm chất lỏng, các van một chiều, van và đế van đồng hoá, lò xo ép van đồng hóa. Thông thường van đồng hóa ép chặt lên đế van nhờ lò xo. Khi chất lỏng được bơm lên áp suất cao đủ thắng lực lò xo, van đồng hóa được nâng lên khỏi đế van tạo ra một khe hở hẹp giữa van và đế van, chất lỏng sẽ thoát ra khỏi khe hở. Khi một lượng chất lỏng đã thoát ra, áp suất sẽ giảm, lò xo đẩy van đồng hóa hạ xuống, tỳ chặt vào đế van. Chu kỳ được lặp lại liên tục. Van đồng hóa và đế van phải thật phẳng và đủ kín để có thể chịu áp suất lên đến 150- 500 atm mà không bị rò rỉ. Trường hợp các hệ nhũ tương khó phân tán hoặc hệ huyền phù khó làm mịn cần sử dụng máy đồng hoá hai cấp, trong đó nguyên liệu được đồng hoá hai lần liên tục nhau trong máy. 129 Hình 5.4. Nguyên lý làm việc của máy đồng hóa 2.2.3. Ứng dụng của máy đồng hóa Dùng để tạo hệ nhũ tương từ 2 chất lỏng không tan vào nhau thí dụ như pha dầu bơ vào sữa trong công nghiệp làm sữa bột, hay tạo hệ huyền phù từ huyền phù thô ban đầu để có được huyền phù có kích thước hạt tương đối nhỏ và đồng nhất, thí dụ làm mịn nước ép trái cây tránh hiện tượng phân lớp trong đồ hộp. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Nêu các phương pháp thực hiện quá trình ép và các yêu tố ảnh hưởng đến quá trình 2. Trình bày những biến đổi của vật liệu khi thực hiện các quá trình ép và làm nhỏ kích thước 3. Quá trình ép có ứng dụng như thế nào trong chế biến thực phẩm? Hãy lựa chọn và nêu cấu tạo, nguyên lý làm việc của loại máy ép để ép dầu thực vật và cho biết lý do chọn loại máy đó 4. Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của máy nghiền búa và máy đồng hóa, cho biết ứng dụng của các loại máy đó. 5. Trình bày mục đích và phạm vi ứng dụng của các quá trình ép và làm nhỏ kích thước 130 MỤC LỤC PHẦN II. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ, CHẾ BIẾN THỰC PHẨM ........................................ 90 Chương 3. PHÂN RIÊNG HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT ....................................................... 90 1. KHÁI NIỆM HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT ....................................................................... 90 1.1. Đặc trưng của hệ không đồng nhất ................................................................................ 90 1.2. Phân loại hệ không đồng nhất ........................................................................................ 90 2. LẮNG .............................................................................................................................. 91 2.1. Khái niệm về lắng ......................................................................................................... 91 2.2. Lắng dưới tác dụng trọng lực ......................................................................................... 91 2.3. Lắng dưới tác dụng lực ly tâm ....................................................................................... 94 2.4. Đặc điểm của vật liệu, biến đổi của chúng và sản phẩm sau lắng ................................... 96 2.5. Mục đích của kỹ thuật lắng trong chế biến thực phẩm ................................................... 96 3. LỌC ................................................................................................................................. 97 3.1. Khái niệm về lọc ........................................................................................................... 97 3.2. Tốc độ lọc và phương trình lọc ...................................................................................... 98 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc ....................................................................... 100 3.4. Biến đổi của vật liệu và sản phẩm sau khi lọc .............................................................. 100 3.5. Phương pháp thực hiện quá trình lọc ........................................................................... 101 3.6. Máy lọc ....................................................................................................................... 101 3.7. Mục đích và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật lọc trong chế biến thực phẩm .................. 104 4. LY TÂM ........................................................................................................................ 104 4.1. Bản chất quá trình ly tâm............................................................................................. 104 4.2. Phân loại quá trình ly tâm ............................................................................................ 105 4.3. Biến đổi của vật liệu sau ly tâm ................................................................................... 106 4.4. Máy ly tâm .................................................................................................................. 107 4.5. Mục đích của ly tâm và phạm vi ứng dụng .................................................................. 111 Chương 4. PHỐI TRỘN, PHÂN LOẠI THỰC PHẨM ..................................................... 113 1. PHỐI TRỘN .................................................................................................................. 113 1.1. Khái niệm ................................................................................................................... 113 1.2. Cơ sở tiến hành phối trộn ............................................................................................ 113 1.3. Đặc điểm tính chất nguyên liệu và những biến đổi trong quá trình ............................... 114 1.4. Thiết bị phối trộn......................................................................................................... 114 1.5. Mục đích phối trộn và phạm vi ứng dụng của quá trình ............................................... 116 1.6. Ảnh hưởng của phối trộn đến chất lượng thực phẩm .................................................... 117 2. PHÂN LOẠI .................................................................................................................. 118 2.1. Khái niệm ................................................................................................................... 118 2.2. Các phương pháp phân loại ......................................................................................... 118 2.3. Thiết bị phân loại ........................................................................................................ 119 Chương 5. ÉP, LÀM NHỎ KÍCH THƯỚC ........................................................................ 124 1. ÉP . 124 1.1. Khái niệm về ép .......................................................................................................... 124 1.2. Các phương pháp thực hiện quá trình ép ...................................................................... 124 1.3. Biến đổi của vật liệu trong quá trình ép ....................................................................... 125 1.4. Thiết bị ép ................................................................................................................... 125 1.5. Mục đích và phạm vi ứng dụng ................................................................................... 126 2. làm nhỎ kích thưỚc ....................................................................................................... 126 2.1. Làm nhỏ kích thước nguyên liệu dạng rắn (nghiền) ..................................................... 126 2.2. Làm nhỏ kích thước nguyên liệu dạng lỏng (đồng hóa) ............................................... 129 131 Chương 6. THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG Trong sản xuất thực phẩm, thanh trùng, tiệt trùng có tác dụng quyết định đến thời gian bảo quản cũng như chất lượng của thực phẩm. Thanh trùng, tiệt trùng là biện pháp xử lý thực phẩm để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hoặc vi sinh vật gây hư hỏng có trong thực phẩm. Đối với đồ hộp thực phẩm, tiệt trùng bằng nhiệt còn có tác dụng làm chín sản phẩm và tạo cho sản phẩm có mùi vị thơm ngon, tăng giá trị dinh dưỡng. Thanh trùng, tiệt trùng có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp dùng nhiệt (thanh trùng Pasteur, tiệt trùng trong bao bì, tiệt trùng UHT), phương pháp dùng dòng điện cao tần, phương pháp dùng tia ion hóa, phương pháp dùng sóng siêu âm… 3. THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG BẰNG NHIỆT 3.1. Khái niệm chung Trong phương pháp sử dụng nhiệt để tiêu diệt vi sinh vật, người ta dùng thuật ngữ "thanh trùng" khi thực phẩm được gia nhiệt đến nhiệt độ dưới 1000C, dùng thuật ngữ "tiệt trùng" khi thực phẩm được gia nhiệt đến nhiệt độ trên 1000C. Có thể chia ra các phương pháp như sau: thanh trùng (thanh trùng Pasteur và thanh trùng HTST), tiệt trùng (tiệt trùng trong hộp và tiệt trùng UHT) Trong công nghiệp thực phẩm, phương pháp dùng nhiệt được sử dụng phổ biến hơn cả vì nó đơn giản, dễ thao tác và ứng dụng được với đa số sản phẩm thực phẩm. Yêu cầu kỹ thuật thanh trùng, tiệt trùng là vừa đảm bảo tiêu diệt vi sinh vật có hại, số còn lại ít đến mức độ không thể phát triển để làm hư hỏng thực phẩm và không làm ảnh hưởng sức khoẻ người ăn, lại vừa đảm bảo cho thực phẩm có chất lượng tốt nhất về giá trị cảm quan và dinh dưỡng. 3.1.1. Vi sinh vật trong thực phẩm - Theo nhu cầu oxy đối với sự phát triển của vi sinh vật, người ta chia vi sinh vật thành 3 nhóm: + Vi khuẩn hiếu khí * Bacillus mesentericus: có bào tử, không độc, có ở trong nước và trên bề mặt rau. Bào tử bị phá hủy ở 1100C trong 1 giờ. Loại này có trong tất cả các loại đồ hộp, phát triển nhanh ở nhiệt độ quanh 370C. * Bacillus subtilis: có bào tử, không gây bệnh. Bào tử chịu được ở 1000C trong 1 giờ, 1150C trong 6 phút. Loại này có trong đồ hộp cá, rau, thịt. Không gây mùi vị lạ, phát triển rất mạnh ở 25 - 350C. * Salmonella: thuộc nhóm vi khuẩn gây bệnh, hiếu khí, ưa ẩm, không có bào tử nhưng có độc tố. + Vi khuẩn yếm khí * Clostridium sporogenes: Chúng phân hủy protein thành muối của NH3, rồi thải NH3, sản sinh ra H2S, H2 và CO2. Bào tử của nó chịu đựng được trong nước sôi trên 1 giờ. Clostridium sporogenes có độc tố, song bị phá hủy nếu đun sôi lâu. Loại này có 132 trong mọi đồ hộp, phát triển rất mạnh ở 27 - 580C. Nhiệt độ tối thích là 370C. * Clostridium putrificum: là loại vi khuẩn đường ruột, có bào tử, không gây bệnh. Các loại nguyên liệu thực vật đề kháng mạnh với Clostridium putrificum. Loại này có trong mọi đồ hộp, nhiệt độ tối thích là 370C. * Bacillus botulinus: còn có tên là Clostridium botulinum. Thực phẩm chỉ bị nhiễm loại này khi không tuân theo nguyên tắc vệ sinh và tiệt trùng. Bào tử có khả năng đề kháng mạnh: ở 100oC là 30 phút, 115oC là 10 phút, 120oC là 4 phút. Độc tố bị phá hủy hoàn toàn khi đun nóng 80oC trong 30 phút. + Vi khuẩn vừa hiếu khí vừa kỵ khí * Bacillus thermophillus: có trong đất, phân gia súc, không gây bệnh, có bào tử. Tuy có rất ít trong đồ hộp nhưng khó bị loại trừ. Nhiệt độ tối thích là 60 - 70oC. * Staphylococcus pyrogenes aureus: có trong bụi và nước, không có bào tử. Thỉnh thoảng gây bệnh vì sinh ra độc tố, dễ bị phá hủy ở 60 - 70oC. Phát triển nhanh ở nhiệt độ thường. + Nấm men: chủ yếu là Saccharomyces ellipsoides, hiện diện rộng khắp trong thiên nhiên. Nấm men thường thấy trong đồ hộp có chứa đường. Bào tử của nấm men không có khả năng chịu đựng được nhiệt độ cao, chúng có thể chết nhanh ở nhiệt độ 60oC. + Nấm mốc: ít thấy trong đồ hộp. Nói chung nấm men và nấm mốc dễ bị loại trừ trong quá trình xử lý nhiệt đối với thực phẩm. - Theo nhiệt độ phát triển tối ưu, vi sinh vật được phân loại như sau: + Vi sinh vật ưa lạnh: phát triển trong phạm vi nhiệt độ từ -10° đến 10°C (14° đến 50°F). Những sinh vật này gây sự hư hỏng của thực phẩm trong tủ lạnh. + Vi sinh vật ưa ấm: phát triển trong phạm vi nhiệt độ từ 10° đến 40°C (50° đến 104°F). Đa số vi sinh vật trong thực phẩm thuộc vào thể loại này. + Vi sinh vật ưa nhiệt: tồn tại và thường phát triển mạnh ở nhiệt độ cao khác nhau, từ 40° đến 80°C (104°F đến 176°F). Ngành công nghiệp thực phẩm rất quan tâm đến những vi sinh vật nhóm này vì khả năng tồn tại ở nhiệt độ cao của chúng. Xử lý nhiệt thích hợp là cần thiết để đảm bảo phá hủy các bào tử và vi sinh vật ưa nhiệt. Sự phân loại vi sinh vật theo khoảng nhiệt độ mà chúng phát triển được mô tả ở hình (6.1). Trong quá trình xử lý nhiệt thì vi sinh vật yếm khí Clostridium botulinum là mục tiêu chính cần loại trừ vì: Có thể sản sinh ra độc tố làm chết người dù ở liều lượng rất thấp, có khả năng hình thành bào tử, rất bền nhiệt, hầu hết nguyên liệu đều nhiễm vi sinh vật này, nên chúng quan hệ mật thiết tới lĩnh vực an toàn thực phẩm. Chính vì những lý do trên, Clostridium botulinum được xem là nguyên nhân gây ngộ độc thực phẩm. Trong thực tế rất khó vô hoạt bào tử Clostridium botulinum. Để vô hoạt bào tử 133 Clostridium botulinum, đòi hỏi phải xử lý ở nhiệt độ cao, đây là nguyên nhân dẫn đến việc giảm giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của các thực phẩm, không đáp ứng được đòi hỏi của người tiêu dùng. Chính vì thế, việc ngăn cản hư hỏng thực phẩm thường là hạn chế sự phát triển nhanh của bào tử Clostridium botulinum hơn là vô hoạt. Việc xử lý nhiệt thành công để phá hủy bào tử Clostridium botulinum là kết hợp với nhiều yếu tố (yếu tố bên trong và bên ngoài) như pH, nhiệt độ, oxy, hoạt độ của nước, phụ gia bảo quản hoặc kết hợp với nhóm vi sinh vật cạnh tranh Hình 6.1. khoảng nhiệt độ thích hợp của các loại vi inh vật Thông thường bào tử Clostridium botulinum không hình thành và phát triển trong thực phẩm có pH < 4,5. Vì vậy, pH = 4,5 được chọn là ranh giới phân chia giữa thực phẩm acid và thực phẩm ít acid. - Trong thực phẩm acid (pH < 4,5) bào tử Clostridium botulinum có thể hiện diện, không có dấu hiệu liên quan đến sự phát triển nhanh, có thể áp dụng xử lý nhiệt trung bình để phá hủy chúng (thanh trùng) - Trong thực phẩm ít acid (pH > 4,5) xử lý nhiệt ở mức độ tương đối cao có thể sử dụng với mục đích tiêu diệt bào tử Clostridium botulinum, nhưng phải kết hợp với quá trình bảo quản mát. Trong trường hợp này, quá trình tiệt trùng thường được áp dụng hơn. Như vậy, dựa vào sự tác động của nhiệt độ lên tế bào vi sinh vật mà người ta đã xây dựng nên các phương pháp thanh trùng, tiệt trùng bằng nhiệt độ cao. Tùy vào đặc điểm của nguyên liệu, yêu cầu chất lượng sản phẩm, dạng bao bì… mà có thể dùng phương pháp thanh trùng Pasteur, tiệt trùng UHT (Ultra High Temperature), tiệt trùng trong hộp kín (ở nhiệt độ cao và áp suất cao). 3.1.2. Sự vô hoạt vi sinh vật bằng nhiệt Sự tồn tại của vi sinh vật trong các sản phẩm thực phẩm không những ảnh hưởng 134 đến sức khỏe của người tiêu dùng mà còn là vấn đề rất được quan tâm đối với các nhà sản xuất vì làm giảm thời gian bảo quản thực phẩm. Sự tồn tại của vi sinh vật trong các sản phẩm chế biến là nguyên nhân gây hư hỏng sản phẩm một cách nhanh chóng. Vì vậy người ta đã dựa trên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên tế bào của vi sinh vật nhằm hạn chế sự hoạt động của chúng và tiêu diệt phần lớn vi sinh vật giúp kéo dài thời hạn bảo quản và tránh hiện tượng ngộ độc thực phẩm do chúng gây ra. Khi nâng nhiệt độ của môi trường quá nhiệt độ tối thích của vi sinh vật thì hoạt động của vi sinh vật bị chậm lại. Ở nhiệt độ cao, protein của chất nguyên sinh của vi sinh vật bị đông tụ làm cho vi sinh vật bị chết. Quá trình đông tụ protein này không thuận nghịch, nên hoạt động của vi sinh vật không phục hồi sau khi hạ nhiệt độ. Khả năng chịu đựng nhiệt độ cao của vi sinh vật có trong thực phẩm là rất khác nhau, bào tử chịu nhiệt tốt hơn vi sinh vật đang sinh trưởng. Vi sinh vật ở dạng đang sinh trưởng bị chết ở 60-700C trong khoảng 30 phút. Bào tử vi khuẩn chịu được nhiệt độ khá cao,đến 1000C, bào tử nấm men và nấm mốc chết ở nhiệt độ 65-800C. 3.1.3. Động học của quá trình tiêu diệt vi sinh vật bằng nhiệt Từ thực nghiệm đã chỉ ra rằng sự tiêu diệt vi sinh vật được thể hiện bởi phương trình: (6.1) Trong đó: N- lượng vi sinh vật trong sản phẩm sau thời gian xử lý nhiệt t, (cfu/ml) KT - hệ số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt T, tùy theo loại vi sinh vật và tính chất của thực phẩm mà trị số KT thay đổi. τ- thời gian xử lý (phút); n- bậc phản ứng Trong hầu hết trường hợp, bậc phản ứng bằng 1, tiến trình vô hoạt bậc nhất có thể viết như sau: (6.2) (6.3) Hay: Lấy tích phân phương trình vi phân (6.3) theo các điều kiện: ở thời điểm ban đầu τ = 0 thì N = N0 ở thời điểm τ = τ thì N = N Ta được: (6.4) Ở nhiệt độ không đổi, KT = hằng số (quá trình đẳng nhiệt) 135 Ta có thể viết phương trình (6.4) như sau: (6.5) ln (N) – ln (N0) = - KT. τ (6.6) ln (N/No) = -KT.τ Đổi từ logarit cơ số e thành cơ số 10, ta có: lg (6.7) K N = − T τ No 2, 303 (6.8) N = N0 e-KT τ Hay Trong đó: N- lượng vi sinh vật trong sản phẩm ở thời điểm t (cfu/ml) N0- lượng vi sinh vật ban đầu (cfu/ml) KT- hệ số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật τ- Thời gian gia nhiệt (phút) Vậy, ở nhiệt độ không đổi, lượng vi sinh vật giảm theo hàm số mũ theo thời gian. Điều này có nghĩa tổng số vi sinh vật không thể giảm đến 0. Vì vậy, không thể đảm bảo tuyệt đối rằng tất cả 100% vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt bởi một quá trình nào đó. Đường biểu diễn mức độ tiêu diệt vi sinh vật theo thời gian gọi (hình 6.2) Hình 6.2. Sự giảm số lượng vi sinh vật theo thời gian khi xử lý nhiệt Nếu biểu diễn theo phương trình (6.8) trên hệ trục tọa độ trục tung có giá trị là lg(N/No) và trục hoành là t, thì sự giảm số lượng vi sinh vật theo thời gian là đường thẳng với hệ số góc là − KT , đó là đường logarit biểu diễn mức độ chết của vi sinh 2, 303 hay còn gọi đường tốc độ chết (hình 6.3) - Thời gian tiệt trùng để giảm số lượng vi sinh vật Gọi D là thời gian cần thiết tại một nhiệt độ xác định để tiêu diệt 90% lượng vi sinh vật ban đầu, tức là số còn lại là 10% (từ 100 còn 10, 10 còn 1, 1 còn 0,1 v.v...) gọi là thời gian giảm thập phân. 136 Ví dụ: nếu số xem vi sinh vật ban đầu là 100%, tiệt trùng nhiệt tiêu diệt được được 90%, vậy số vi sinh vật còn sống sót là 10%. Như vậy, so với ban đầu thì số vi sinh vật đã giảm đi 10 lần. Ta có thời gian thập phân là 1D. Tương tự, thời gian thập phân 2D là giảm được 99% (số còn lại 1%, tỷ số giảm là 100%/1% = 100 lần có D=2, thời gian thập phân 3D là giảm được 99,9% Hình 6.3. Mối quan hệ logarite giữa sự giảm số vi sinh vật theo thời gian - Giá trị tiệt trùng Để đánh giá quá trình tiệt trùng, người ta sử dụng giá trị tiệt trùng, ký hiệu là SV (sterilization value). Giá trị tiệt trùng là số thập phân cần giảm của số lượng vi sinh vật hiện có ban đầu. Chẳng hạn, số lượng vi sinh vật hiện có trong thực phẩm là N, giá trị thanh trùng 12, nghĩa là cần giảm 12 số thập phân của số N, tức là giảm 1012 lần số vi sinh vật hiện có (N), số vi sinh vật còn lại sẽ là N/1012 = N.10-12 . Ví dụ: Một loại đồ hộp chứa 102 vi sinh vật trong mỗi hộp. Một quá trình thanh trùng có giá trị 6D là nhằm để giảm số lượng vi sinh vật xuống 6 số mũ thập phân tức là giảm số lượng vi sinh vật trong hộp xuống còn 102x10-6 =10-4. Số này tương đương với việc cho phép trong 10.000 hộp có 01 vi sinh vật. Một giá trị tiệt trùng 12 là giảm số vi sinh vật đã có xuống đến 10-10 cá thể trong hộp, tức là giảm số vi sinh vật sống sót xuống còn 1 trong 1010 hộp. Giá trị 12 dựa trên cơ sở phá hủy Clostridium botulinum, là tiêu chuẩn được thực hiện trong thời gian dài trong công nghiệp thuwccj phẩm đồ hộp. Theo hình 6.3 và phương trình (6.8) ta xây dựng được mối quan hệ giữa hệ số vận tốc KT và thời gian D: 137 − Nên phương trình (6.8) có thể viết: lg K 1 = − T D 2, 303 (6.9) 1 N =− τ No D (6.10) Vậy thời gian tiêu diệt vi sinh vật là: τ = D lg N0 N (6.11) SV - giá trị tiệt trùng, là số thập phân giảm lượng vi sinh vật ban đầu. Từ (6.11), ta có: hay (6.12) Giá trị D phụ thuộc vào loài vi sinh vật, giá trị D của loài vi sinh vật nào đó càng lớn thì sức kháng nhiệt của vi sinh vật đó càng lớn. Giá trị D phụ thuộc vào số lượng vi sinh vật ban đầu trong nguyên liệu, sản phẩm, số lượng ban đầu càng lớn thì D càng lớn. Sự phá hủy vi sinh vật tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì vi sinh vật bị tiêu diệt càng nhanh. Biểu diễn sự trị số D theo nhiệt độ ta sẽ được đường biểu diễn là đường thẳng gọi là đường thời gian chết theo nhiệt độ của vi sinh vật. Gọi z là số nhiệt độ cần thiết để làm xảy ra sự thay đổi 10 lần thời gian chết nhiệt D, tính bằng oC. Giá trị z biểu diễn giá trị trên hình (6.4). Giá trị D và giá trị z được dùng để đặc trưng cho khả năng kháng nhiệt của vi sinh vật. Giá D và giá trị z của các nhóm vi sinh vật được cho ở bảng sau (bảng 6.1) Bảng 6. 1. Giá tri D và z của một số loại vi sinh vật. (theo Fellows ) Z121 (phút) D (°C) Loại thực phẩm Bacillus stearothermophilus 10 4,0 Rau quả, sữa Clostridium thermosaccharolyticum 7,2 - 10 3,0 - 4,0 Rau quả Clostridium sporogenes 8,88 - 11,1 0,8 - 1,5 Thịt Bacillus subtilis 4,1 - 7,2 0,5 - 0,76 Các sản phẩm sữa C. botulinum toxyns A and B 5,5 0,1 – 1,3 Các thực phẩm acid thấp 10 3,0 (60°C) Các thực phẩm acid thấp Vi sinh vật Loại ưa nhiệt (35° - 55°C) Loại ưa ấm (10° to 40°C) Loại ưa lạnh (–5° to 1,5°C) C. botulinum toxyn E 138 Hình 6.4. Sự phụ thuộc thời gian làm giảm vi sinh vật và nhiệt độ - Xác định sự phụ thuộc thời gian tiệt trùng theo nhiệt độ Gọi t0 là thời gian cần thiết ở nhiệt độ tham khảo 121,1oC (250oF) để đạt được giá trị tiệt trùng mong muốn. Ta cần tìm phương pháp xác định thời gian cần thiết để đạt được giá trị tiệt trùng mong muốn đó nhưng ở nhiệt độ khác 121,1oC. Giả sử thời gian giảm lượng vi sinh vật theo nhiệt độ đối với một loại vi sinh vật giả định được cho ở hình (6.5). Ta thiết lập phương trình của đường biểu diễn sự phụ thuộc thời gian diệt vi sinh vật theo nhiệt độ. Xuất phát từ phương trình tổng quát của đường thẳng có dạng: y= mx + b, ta sẽ tìm các giá trị m và b. Xét hệ trục tọa độ vuông góc, trục Y là logarit của thời gian, Y=log τ. Trục X là nhiệt độ (T). Hệ số góc (độ dốc) m là ΔY/ ΔX. Theo đồ thị, ta có ΔY = -log10 = -1; ΔX =z. Vậy m = -1/z. Thay thế vào phương trình đường thẳng, ta có: log τ = (-1/z) T + b (6.13) Xác định giá trị b. Đường thẳng này đi qua điểm (t0; 121,1oC) (theo định nghĩa ở trên). Thay thế vào phương trình (6.13), ta được: log τ =(-1/z) 121,1 + b b = log t0 + 121,1/z Thay thế kết quả tìm được vào phương trình (6.13), ta được: (6.14) 139 Hình 6.5. Đường biểu diễn sự phụ thuộc thời gian diệt vi sinh vật theo nhiệt độ Ví dụ 1. Một kỹ thuật viên công nghệ thực phẩm sử dụng nhiệt để tiệt trùng đồ hộp đậu. Người kỹ thuật viên nhận thấy rằng tiệt trùng đã làm cho 99,9999% số tế bào Clostridium botulinum bị tiêu diệt so với ban đầu. Hỏi giá trị tiệt trùng của quá trình đó là bao nhiêu? Giải Phần trăm số lượng vi sinh vật còn lại sau quá trình tiệt trùng là: 100% - 99,9999% = 0,0001% Tỷ lệ số vi sinh vật ban đầu so với số vi sinh vật cuối cùng còn lại là: 100%/0,0001% = 106 Số thập phân giảm là: lg106 = 6 Giá trị thanh trùng của quá trình xử lý nhiệt là 6 Ví dụ 2. Người ta dùng nhiệt để tiệt trùng thực phẩm chứa trong hộp. Người ta thấy rằng tiệt trùng một lần sẽ đạt được kết quả 99,9999% vi sinh vật C. Botulinum bị bất hoạt. Hãy xác định tỷ số vi sinh vật ban ban đầu và số vi sinh vật còn sống sót sau tiệt trùng bằng nhiệt và số thập phân vi sinh vật bị giảm. Giải Số phần trăm của vi sinh vật còn lại sau xử lý là: 100% - 99,9999% = 0,0001% Tỷ số vi sinh vật ban đầu và vi sinh vật còn sống là: 100% / 0,0001% = 1.000.000 = 106 Số logarit thập phân vật ban đầu và vi sinh vật còn sống là: lg (N0/N) = lg106 = 6 140 Ví dụ 3. Một loại đồ hộp thịt gà cần được xử lý ở nhiệt độ không đổi cho đến khi giảm được 99,9999% vi khuẩn C.Botulinum. Biết giá trị D (thời gian cần thiết để lượng vi sinh vật ban đầu giảm 10 lần) của C.Botulinum là 0,6 phút. Hỏi thời gian cần thiết phải duy trì ở nhiệt độ không đổi đó là bao nhiêu để đạt kết quả mong muốn nói trên? Đồng thời đồ hộp có chứa 10 bào tử vi sinh vật gây hư hỏng thứ hai, có giá trị D là 2,1 phút. Hỏi với thời gian duy trì nhiệt độ không đổi trên thì phần trăm vi sinh vật này còn lại trong hộp là bao nhiêu? Giải Tỷ lệ C.Botulinum còn lại trong đồ hộp theo yêu cầu là: 100% - 99,999% = 0,001% Số logarit của tỷ số C.Botulinum ban đầu và C.Botulinum sau tiệt trùng là: lg (N0/N) = lg(100/0,001) = lg105 = 5 Thời gian cần thiết giữ nhiệt để tiêu diệt C.Botulinum theo mong muốn là (áp dụng công thức (6.11) t = D lg N0 = 0,6* 5 = 3 phút N Sử dụng thời gian vừa tìm được, xác định sự giảm vi sinh vật trong thời gian tiệt trùng (logarit thập phân của tỷ số của số vi sinh vật lúc ban đầu và còn sống sau xử lý nhiệt): Từ công thức (6.10) ta có: lg (N0/N) = D/t = 3/2,1 =1,429 Suy ra N0/N = 101,429 Số phần trăm vi sinh vật thứ hai còn sống: N = N0/101,429 = 100%*0,037=3,7% Ví dụ 4. Một nhà máy sản xuất đồ hộp thực phẩm muốn giảm thời gian tiệt trùng một sản phẩm đóng hộp bằng cách nâng nhiệt độ tiệt trùng của sản phẩm đó lên đến 1350C. Trước đây sản phẩm đồ hộp này được tiệt trùng ở 1210C. Cho biết thời gian tiệt trùng ở 1210C là t0=2,5 phút và z=100C. Hãy xác định thời gian tiệt trùng ở 1350C. Giải Áp dụng phương trình (6.14), ta có: log τ135 = log 2,5 – 1,4 = 0,3979 – 1,4 = -1,0021 τ135 = 10-1,0021 = 1/10-1,0021 = 0,10 phút 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưỏng đến khả năng chịu nhiệt của vi sinh vật Tính chịu nhiệt của vi sinh vật phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường như thành phần, pH, thế oxy hóa khử và lượng nước có trong tế bào… - Thành phần thực phẩm 141 + Các loại thực phẩm khác nhau ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt khác nhau của vi sinh vật. Ví dụ 1: E.coli ở các môi trường thực phẩm khác nhau với thời gian gia nhiệt là 10 phút thì nhiệt độ để tiêu diệt nó ở các môi trường khác nhau là khác nhau (bảng 6.1 Bảng 6.1. Ảnh hưởng của môi trường đến tác dụng diệt khuẩn bằng nhiệt Môi trường Nhiệt độ tiêu diệt (0C) Kem 73 Sữa nguyên chất 69 Sữa tách kem 65 Lactoserum 63 Nước dùng 61 + Thực phẩm giàu các chất dinh dưỡng (đường, chất đạm, chất béo...) thì tính chịu nhiệt của vi sinh vật tăng do đó thời gian khử trùng phải kéo dài; sự có mặt muối, các hoá chất bảo quản, acid... thì tính chịu nhiệt của vi sinh vật giảm. Ví dụ: ở 115oC, thời gian tiêu diệt của vi sinh vật trong đậu côve phụ thuộc nồng độ nước muối như sau (bảng 6.2) Bảng 6.2. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến thời gian diệt vi sinh vật bằng nhiệt Nồng độ muối (%) Thời gian tiêu diệt (phút) 0 15,0 0,5 37,8 1,0 36,7 1,5 73,3 2,0 75,6 2,5 78,9 3,0 40,0 4,0 13,3 + Hàm lượng nước trong thực phẩm: trong môi trường ẩm, vi sinh vật bị tiêu diệt nhanh hơn trong môi trường khô. Bởi vì, khi có sự hiện diện của nước, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, protein sẽ tạo thành nhiều nhóm –SH tự do hơn và các cầu nối peptid bị phá huỷ nhanh hơn do đó protein dễ bị mất hoạt tính hơn trong điều kiện có nước. - Ảnh hưởng của pH Đối với các loại thực phẩm có pH khác nhau thì thời gian xử lý nhiệt sẽ khác nhau. pH càng thấp thì thời gian tiêu diệt càng ngắn. Ví dụ: Loài sinh bào tử Clostridium botulinum đại diện cho loài chịu nhiệt được thực hiện xử lí ở nhiệt độ 1000C. Với các môi trường pH khác nhau thì thời gian xử lý nhiệt khác nhau (bảng 6.3) 142 Bảng 6.3. Ảnh hưởng của pH lên tác dụng diệt khuẩn bằng nhiệt pH Thời gian xử lí (phút) 5,26 4,77 65 45 4,5 35 4,34 20 - Ảnh hưởng của loại và dạng phát triển của vi sinh vật + Khả năng chịu nhiệt của từng loại vi sinh vật rất khác nhau. Trong cùng môi trường, ở cùng một nhiệt độ thanh trùng, vi khuẩn có bào tử bền hơn loại không có bào tử, và bền hơn cả loại vi khuẩn ưa nhiệt. Thời gian tiêu diệt ở 100oC của một số vi khuẩn là Bảng 6.4. Ảnh hưởng của loài vi sinh vật đến thời gian thanh trùng bằng nhiệt Loại vi sinh vật Thời gian tiêu diệt (phút) B. mesentericus 110 B. subtilis 120 B.botulinus A 150 B.botulinus B 300 Cl.sporogenes Hàng giờ Cl.putrificum Hàng giờ + Bào tử chịu nhiệt tốt hơn vi sinh vật ở dạng sinh trưởng. Trong bào tử, lượng nước tự do thấp do đó bào tử vi sinh vật có tính chịu nhiệt cao hơn. + Số lượng vi sinh vật: Thời gian tiêu diệt còn phụ thuộc vào số lượng vi sinh vật nhiễm vào đồ hộp, lượng vi sinh vật nhiễm nhiều thì thời gian tiêu diệt dài. 3.1.5. Mục đích tiệt trùng, thanh trùng Mục đích của việc vô trùng là để đảm bảo rằng các sinh vật gây hư hỏng thực phẩm bị bất hoạt, các vi sinh vật gây bệnh và bào tử bị phá hủy. Một mặt hàng thực phẩm hoàn toàn vô trùng là sẽ không có vi sinh vật còn sống hoặc các bào tử còn lại sau khi xử lý nhiệt. Hoàn toàn vô trùng là không thực tế, vì thời gian khử trùng tăng lên rất lớn khi số lượng sinh vật tiếp cận bằng không. Do đó, tiệt trùng, được sử dụng nhằm làm giảm lượng vi sinh vật trong thực phẩm đến mức chấp nhận được. Các bào tử của C. botulinum khá bền với chế biến nhiệt và do đó, mục tiêu chung của các quá trình tiệt trùng là tiêu diệt loại vi sinh vật này. Để tránh sự "bùng nổ" về ngộ độc, các nhà chế biến thực phẩm cần: giảm mật số bào tử Clostridium botulinum đến mức có thể chấp nhận được trong thực phẩm; ngăn cản sự phát triển của Clostridium botulinum và quá trình sản sinh độc tố. Mặc dù có một số vi sinh vật có khả năng chịu nhiệt cao C. botulinum nhưng không gây bệnh và hư hỏng, do vậy thì việc tiêu diệt được C. botulinum là bảo vệ được sản phẩm thực phẩm, coi như đạt được mục đích vô trùng. 143 3.2. Thanh trùng Thanh trùng Pasteur là biện pháp xử lý nhiệt tương đối nhẹ nhàng, trong đó thực phẩm được gia nhiệt đến dưới 100oC, giữ trong một thời gian rồi làm nguội nhanh đến nhiệt độ bình thường. Thanh trùng Pasteur được áp dụng đối với nhiều loại thực phẩm khác nhau, trong đó chủ yếu áp dụng cho những loại thực phẩm dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao. Mục tiêu chính của tiệt trùng Pasteur là phá hủy các vi sinh vật gây bệnh, vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm và các enzyme nhờ đó ngăn ngừa bệnh tật do thực phẩm và duy trì được chất lượng thực phẩm lâu hơn. Từ đó có thể nói thanh trùng Pasteur là một quá trình xử lý nhiệt cho một sản phẩm nhằm để giảm thiểu mối nguy hiểm sức khỏe có thể phát sinh từ vi sinh vật gây bệnh đã gia nhập vào các sản phẩm và làm cho sản phẩm ít bị thay đổi tính chất cảm quan, lý, hóa. Các sản phẩm có thể thanh trùng bao gồm: sữa, các loại kem, trứng, nước trái cây, các sản phẩm lên men, súp và đồ uống khác. Thanh trùng Pasteur không làm bất hoạt được tất cả vi sinh vật. Những vi sinh vật tồn tại sau thanh trùng gọi là những vi sinh vật chịu nhiệt, và dạng bào tử vi sinh vật thì tại sau khi thanh trùng trong điều kiện khắc nghiệt hơn (80 – 100oC trong 30 phút). Đối với các loại thực phẩm có độ acid thấp (pH>4,5, ví dụ như sữa), thanh trùng Pasteur được sử dụng để giảm đến mức thấp nhất có thể được các mối nguy do các vi sinh vật gây ra và kéo dài thời gian sử dụng của thực phẩm vài ngày đến vài tuần. Đối với các thực phẩm acid (pH4,5) thì người ta thường sử dụng phương pháp tiệt trùng. - Phạm vi ứng dụng Phương pháp này được sử dụng để thanh trùng các sản phẩm dễ bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ như thanh trùng sữa, bia, rượu vang, nước quả…sau đó bảo quản lạnh để tránh bào tử phát triển và hoạt động trở lại. Người ta cũng thường kết hợp việc giữ lạnh thực phẩm với việc bổ sung CO2 để kéo dài thời gian sử dụng. Đối với các loại đồ hộp thuộc nhóm chua, tức là pH < 4,5 như đồ hộp quả, cà chua, rau muối chua thì các vi khuẩn chịu nhiệt không những không phát triển được mà tính chịu nhiệt của chúng cũng giảm đi, nên nó dễ dàng bị tiêu diệt khi nâng cao nhiệt độ. Các loại nấm men, nấm mốc tuy có thể phát triển mạnh được trong môi trường acid nhưng hầu hết là kém bền đối với nhiệt nên có thể thanh trùng các loại đồ hộp có độ acid cao ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thanh trùng các loại đồ hộp ít chua. Các loại đồ hộp ít chua như các loại đồ hộp hạt đậu, ngô thường có vi sinh vật ưa nóng phát triển là Clostridium Pasteurianum có khả năng chịu nhiệt đến 1000C nên dùng phương pháp tiệt trùng 3.3. Tiệt trùng Tiệt trùng trùng là một quá trình mà trong đó thức phẩm được gia nhiệt đến một nhiệt độ đủ cao và trong một thời gian đủ dài để phá hủy hoạt động của vi sinh vật và enzyme. Kết quả là, các loại thực phẩm tiệt trùng có tuổi thọ vượt quá sáu tháng ở nhiệt độ môi trường xung quanh. Việc xử lý nhiệt mức độ mạnh trong quá trình tiệt trùng đồ hộp trước đây có thể tạo ra thay đổi đáng kể chất dinh dưỡng và cảm quan của thực phẩm. Do đó mục tiêu của sự phát triển công nghệ chế biến nhằm giảm thiệt hại các chất dinh dưỡng và giá trị cảm quan của thực phẩm, bằng cách giảm thời gian xử lý thực phẩm trong hộp hoặc xử lý thực phẩm trước khi đóng gói (xử lý vô khuẩn). 3.3.1. Tiệt trùng thực phẩm trong hộp (tiệt trùng đồ hộp) - Khái niệm chung Tiệt trùng đồ hộp là ứng dụng nhiệt để tiêu diệt các loại vi sinh vật trong thực phẩm đã được niêm trong các hộp chứa. Mối quan tâm chính trong tiệt trùng đồ hộp là an toàn thực phẩm và chất lượng. Vi khuẩn gây bệnh kháng nhiệt phổ biến là Clostridium botulinum, không phát triển ở pH dưới 4,5. Trên cơ sở đó, người ta phân loại thực phẩm thành thực phẩm acid (pH 4,5). 145 Đối với các sản phẩm được đóng hộp như như đồ hộp thịt, cá, đậu,… chủ yếu là sản phẩm rắn, hơn nữa, thuộc nhóm không chua hay ít chua (pH> 4,5) thì vi sinh vật phát triển mạnh trong môi trường này đều là các vi sinh vật chịu nhiệt. Trong đó loại nguy hiểm hơn cả, có hại đến sức khỏe người sử dụng là những bào tử của loại vi khuẩn Clostridium botulinum có khả năng phân giải protein. Đó là loại vi sinh vật chịu nhiệt nguy hiểm nhất, được các nước trên thế giới coi là đối tượng chủ yếu phải loại trừ. Việc tiêu diệt bào tử của nó được coi là tiêu chuẩn thanh trùng tối thiểu, mặc dù nó không phải là đại diện ưa nóng nhất của nhóm vi sinh vật lên men thối. Trong đồ hộp thịt, cá, ta còn có thể gặp các loại vi khuẩn yếm khí gây thối hỏng đồ hộp như Clostridium sporogenes bền với nhiệt hơn cả Clostridium botulinum. Ngoài ra ở các loại đồ hộp có độ acid không cao lắm cũng thường có các loại vi khuẩn bền với nhiệt như Clostridium thermosaccharolyticum thuộc nhóm yếm khí ưa nhiệt, có tác dụng phân hủy glucid. Và loại hiếu khí ưa nhiệt như loại Bacillus stearothermophillus, là loại vi sinh vật làm hỏng đồ hộp. Do đó đối với các loại đồ hộp có môi trường pH > 4,5 cần phải có nhiệt độ thanh trùng cao mới tiêu diệt được các loại vi sinh vật ưa nhiệt gây hư hỏng đồ hộp. Riêng đối với các loại đồ hộp thuộc nhóm chua, tức là pH[...]... GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG CỦA THỰC PHẨM Nhiều quá trình chế biến thực phẩm không có hoặc rất ít ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của thực phẩm như các quá trình phối trộn, làm sạch, phân loại, sấy thăng hoa v.v - Chế biến nhiệt là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi giá trị dinh dưỡng của thực phẩm Thí dụ sự hồ hóa tinh bột hay sự đông tụ protein làm cải thiện khả năng tiêu hóa thực phẩm, các hợp chất ức... quan Tính chất cảm quan của thực phẩm gồm các tính chất như: cấu trúc, mùi vị, hình dạng và màu sắc Tính chất cảm quan của thực phẩm là tính chất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Các nhà sản xuất phải luôn tìm cách cải tiến công nghệ chế biến để duy trì hoặc tạo ra các tính chất cảm quan mong muốn cho các sản phẩm thực phẩm 1.3.1 Cấu trúc Cấu trúc của thực phẩm xác định bằng độ ẩm, hàm... suất quá trình phân tách,…) 3.2 Phương trình cân bằng khối lượng Xét một quá trình công nghệ chế biến thực phẩm Không khí ẩm (C) Không khí (A) Không khí Ẩm (E) bột nhào ẩm (W) bột nhào đã nướng (D) Lò nướng Ẩm (E) Hình 2.1 Sơ đồ dòng vật liệu trong quá trình nướng bánh trong lò nướng Cân bằng khối cho toàn bộ quá trình là: W + A = D + C Cân bằng khối cho không khí ẩm: A+E=C Cân bằng khối cho sản phẩm (chất... chuyển đổi đơn vị, suy ra từ phương trình thứ nguyên Phương trình thứ nguyên là phương trình chứa cả các số và các đơn vị của thứ nguyên Các đơn vị trong phương trình thứ nguyên được xử lý như các số hạng đại số Tất cả các phép toán thực hiện trên các số cũng được thực hiện đối với các đơn vị tương ứng của chúng Các số có thể xem như một hệ số của một ký hiệu đại số trình J bày bằng đơn vị Chẳng... trong những yếu tố thể hiện giá trị cảm quan của thực phẩm Màu sắc tự nhiên của thực phẩm có thể bị thay đổi do tác động của các quá trình chế biến nhiệt, sự thay đổi pH hoặc do sự oxy hóa trong khi tồn trữ Màu tổng hợp thường có tính ổn định cao hơn đối với tác động của nhiệt, pH và ánh sáng thường được thêm vào để duy trì màu của một số loại thực phẩm Một số phản ứng hóa học (phản ứng Maillard) có... gói được 2 quả táo trong 1 giây (s) Nếu mỗi quả táo trung bình nặng 100 g, hỏi trong 4 h thì sẽ làm đầy bao nhiêu gói, mỗi gói chứa 2 kg táo? 23 Chương 2 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT THỰC PHẨM 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA THỰC PHẨM 1.1 Tính chất vật lý 1.1.1 Khối lượng riêng và trọng lượng riêng - Khối lượng riêng của vật liệu (còn gọi là mật độ, ký hiệu ρ) là lượng vật liệu chứa trong một khoảng không... làm tăng sự oxy hóa chất béo - Oxy hóa là nguyên nhân quan trọng thứ hai làm thay đổi giá trị dinh dưỡng thực phẩm Quá trình oxy hóa xảy ra khi thực phẩm tiếp xúc với không khí và do tác động nhiệt hoặc enzyme oxy hóa như peroxidase, lipoxygenase, polyphenoloxidase Những ảnh hưởng chính của quá trình oxy hóa là: + Sự phá hủy chất béo thành hydroperoxide và những phản ứng tiếp theo tạo thành những hợp... trúc của thực phẩm bị thay đổi là do sự giảm hàm lượng ẩm hoặc chất béo, do sự tạo thành hay phá vỡ các chất nhũ hóa, do sự thủy phân các carbohydrate, do thủy phân hay đông tụ protein 1.3.2 Mùi vị Vị thực phẩm bao gồm các vị mặn, ngọt, đắng và chua Những vị này được quyết định bởi bản chất hóa học của chất gây vị và hầu như không thay đổi trong khi chế biến, ngoại trừ một số quá trình như quá trình hô... tổng năng lương thoát ra khỏi hệ thống Năng lượng trong các quá trình chế biến thực phẩm dưới dạng nhiệt hoặc cơ Xét riêng nhiệt năng, có thể phát biểu: tổng lượng nhiệt vào bằng tổng lượng nhiệt ra 4.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát, đối với nhiệt năng như sau: ∑Qvào = ∑Qra (2.8) Trong quá trình tính toán, nếu nhiệt tổn thất rất nhỏ thì có thể bỏ qua nhiệt... di động của chất lỏng Trong hệ SI, đơn vị đo hệ số nhớt động lực μ là: (N.s)/m2 = Kg/(m.s) = 1Pa.s 1.2 Tính chất nhiệt Tính chất nhiệt của thực phẩm có thể tiêu biểu cho cơ chế trao đổi nhiệt trong các quá trình gia nhiệt hoặc làm lạnh Tính chất nhiệt của thực phẩm bao gồm: 1.2.1 Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng lên một độ ở một ... SẤY Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ sinh học nhà trường người có liên quan đến lĩnh vực chế biến thực phẩm Trong trình biên soạn giáo trình. .. viên bạn đọc để giáo trình ngày hoàn thiện Những ý kiến đóng góp giáo trình xin gửi về: Bộ môn Quá trình thiết bị thực phẩm, khoa Công nghệ chế biến bảo quản lương thực- thực phẩm, trường Cao... thưc -Thực phẩm; 101B – Lê Hữu Trác, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng CÁC TÁC GIẢ 10 11 PHẦN I NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG Chương TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỰC PHẨM CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Khái niệm kỹ thuật