Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm công nghệ lạnh ứng dụng trong thực phẩm

TS NGUYỄN TẤN DŨNG QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM CÔNG NGHỆ LẠNH ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM (Sách chuyên khảo) TS NGUYỄN TẤN DŨNG QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PH[.]

TS NGUYỄN TẤN DŨNG

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

CÔNG NGHỆ LẠNH ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM

(Sách chuyên khảo)

TS NGUYỄN TẤN DŨNG

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM

CÔNG NGHỆ LẠNH ỨNG DỤNG

TRONG THỰC PHẨM

(Sách chuyên khảo)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2016

GIỚI THIỆU

Cuốn sách Công nghệ lạnh ứng dụng trong thực phẩm được biên

soạn với mục đích là một cuốn sách chuyên khảo, một cuốn giáo trình dùng để giảng dạy cho sinh viên, học viên ở Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật TP HCM và ở các trường đại học thuộc khối kỹ thuật khác trong các lĩnh vực Công nghệ hóa học, Công nghệ thực phẩm, Công nghệ nhiệt, Công nghệ môi trường và một số ngành kỹ thuật khác có liên quan

Cuốn sách Công nghệ lạnh ứng dụng trong thực phẩm gồm 7

chương: Chương 1 Một số tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm; Chương

2 Môi trường làm lạnh - làm lạnh đông thực phẩm; Chương 3 Cơ sở khoa học của quá trình làm lạnh thực phẩm; Chương 4 Cơ sở khoa học làm lạnh đông thực phẩm; Chương 5 Công nghệ sản xuất nước đá; Chương 6 Công nghệ sản xuất nước đá khô; Chương 7 Công nghệ chế biến lạnh nước giải khát Cuốn sách có thể mang lại lợi ích cho các đọc giả đồng thời phục vụ cho các sinh viên, học viên ở các trường đại học để tham khảo, tìm hiểu, tra cứu và nghiên cứu về các vấn đề kỹ thuật và công nghệ lạnh

Cuốn sách này ra đời với mong muốn của tác giả là triển khai công nghệ lạnh ứng dụng vào thực tế sản xuất Qua đây tác giả xin chân thành cám ơn đến các thầy PGS.TS Nguyễn Văn Sức (Khoa CNHH và TP), PGS.TS Đỗ Văn Dũng (BGH trường ĐHSPKT TP HCM) đã khuyến khích, ủng hộ cho việc biên soạn cuốn sách này

Vì khối lượng kiến thức trong nội dung của cuốn sách này khá lớn nên quá trình biên soạn không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong các bạn đọc giả chân thành góp ý để cuốn sách này ngày càng hoàn thiện hơn trong những lần tái bản lần tiếp theo

Mọi phản hồi của các đọc giả xin gửi về địa chỉ Email: tandzung072@yahoo.com.vn, xin chân thành cám ơn

Tác giả

Nguyễn Tấn Dũng

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU 3

MỤC LỤC 5

Chương 1: MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ – NHIỆT CỦA THỰC PHẨM 17

I MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM 17

1 Hình dạng hình học của thực phẩm 17

2 Góc trượt 18

3 Khối lượng riêng (  : kg/m3) 19

II MỘT SỐ TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM 19

1 Nhiệt dung riêng (c: kJ/(kg.K)) 19

2 Tỷ nhiệt trung bình của thực phẩm 21

3 Hàm nhiệt 22

4 Hệ số dẫn nhiệt (  : W/(m.K)) 22

5 Hệ số dẫn nhiệt độ (a: m2/s) 24

6 Hệ số cấp nhiệt (: W/(m2.K)) 24

7 Nhiệt lượng và tính chất của nhiệt lượng 26

7.1 Đơn vị của nhiệt lượng 26

7.2 Tính chất của nhiệt lượng 27

7.3 Nhiệt nhạy cảm (sensible heat) 27

7.4 Nhiệt lượng riêng (specific heat) 27

7.5 Ẩn nhiệt (unvisible heat) 27

7.6 Nhiệt bốc hơi (evaporate heat) 28

7.7 Bốc hơi sinh lạnh (evaporate to freeze) 28

III TÁC ĐỘNG CỦA LẠNH ĐỐI VỚI SINH HÓA CỦA THỰC PHẨM 28

1 Tác động của lạnh đối với tế bào sống 28

2 Tác động của lạnh đối với vi sinh vật 29

IV THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THỰC PHẨM ẢNH

HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT KHI LÀM

LẠNH – LÀM LẠNH ĐÔNG 30

Chương 2: MÔI TRƯỜNG LÀM LẠNH – LÀM LẠNH ĐÔNG 31

I MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 31

1 Các loại không khí ẩm 32

2 Các thông số kỹ thuật trạng thái của không khí ẩm trong quá trình làm lạnh 33

2.1 Độ ẩm tuyệt đối 33

2.2 Độ ẩm tương đối 33

2.3 Độ chứa hơi d 35

2.4 Entanpi của không khí ẩm 35

2.5 Tỷ số sai biệt giữa entanpi và độ chứa hơi (hay còn gọi hệ số ẩm nhiệt) 36

2.6 Các loại đồ thị của không khí ẩm 37

3 Các quá trình nhiệt động cơ bản xảy ra khi không khí ẩm là môi trường làm lạnh 40

3.1 Quá trình làm lạnh không có sự ngưng tụ của nước 41

3.2 Quá trình làm lạnh có sự ngưng tụ của nước 41

3.3 Quá trình làm lạnh bằng cách pha trộn hai dòng không khí không có quá trình tách nước 42

3.4 Quá trình làm lạnh bằng cách pha trộn hai dòng không khí có quá trình tách nước 44

II MÔI TRƯỜNG LỎNG 46

1 Nước 46

2 Nước muối 46

2.1 Nhiệt hòa tan 47

2.2 Quan hệ giữa nồng độ muối với nhiệt độ đóng băng và nhiệt dung riêng 47

3 Etylen-glycol 49

4 Propylen-glycol 50

5 Freon 30 50

III MÔI TRƯỜNG RẮN 51

1 Kim loại 51

2 Nước đá 51

3 Hỗn hợp nước đá và muối 52

Chương 3: CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM LẠNH THỰC PHẨM 53

I NHỮNG BIẾN ĐỔI CỦA THỰC PHẨM KHI LÀM LẠNH 53

1 Một số khái niệm cơ bản 53

2 Những biến đổi vật lý của thực phẩm 54

3 Những biến đối về hóa học của thực phẩm trong quá trình làm lạnh 58

4 Những biến đổi về vi sinh vật của thực phẩm trong quá trình làm lạnh 58

II ĐỊNH LUẬT VỀ TỐC ĐỘ LÀM LẠNH 58

1 Các khái niệm cơ bản 58

2 Xác định phương trình của định luật về tốc độ làm lạnh 60

3 Phát biểu định luật về tốc độ làm lạnh 61

III THỜI GIAN CỦA QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH 61

1 Xác định thời gian làm lạnh theo phương pháp giải tích – đồ thị 61

2 Xác định thời gian làm lạnh theo phương pháp thực nghiệm 83

IV CHI PHÍ LẠNH CỦA QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH 84

V MÔI TRƯỜNG LÀM LẠNH 85

1 Làm lạnh thực phẩm trong môi trường không khí 85

1.1 Ưu, nhược điểm 85

1.2 Các điều kiện khi làm lạnh thực phẩm bằng môi trường không khí 86

1.3 Cách tiến hành 87

2 Làm lạnh thực phẩm bằng nước đá 87

2.1 Ưu, nhược điểm 87

2.2 Yêu cầu đối với nước đá 88

2.3 Yêu cầu đối với thực phẩm 88

2.4 Cách tiến hành 88

3 Làm lạnh thực phẩm bằng các dung môi hữu cơ 88

3.1 Ưu, nhược điểm 88

3.2 Yêu cầu về dung môi hữu cơ 89

3.3 Cách tiến hành 89

Chương 4: CƠ SỞ KHOA HỌC LÀM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM 91

I SỰ KẾT TINH CỦA NƯỚC TRONG THỰC PHẨM KHI LẠNH ĐÔNG 91

1 Những tác động của sự kết tinh nước đối với thực phẩm 91

2 Quá trình kết tinh nước 91

3 Những yếu tố ảnh hưởng tới sự kết tinh nước 92

3.1 Nồng độ chất ban đầu 92

3.2 Tốc độ làm đông 93

3.3 Trạng thái chất lượng của thực phẩm 94

4 Sự kết tinh của nước trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt cấp đông 94

II NHỮNG BIẾN ĐỔI CỦA THỰC PHẨM KHI LÀM ĐÔNG 95

1 Những biến đổi về vật lý 95

2 Những biến đổi về hóa học 96

3 Những biến đổi về vi sinh vật 97

III XÁC ĐỊNH THỜI GIAN LÀM ĐÔNG 97

IV CHI PHÍ LẠNH CỦA QUÁ TRÌNH LÀM ĐÔNG 100

V MÔI TRƯỜNG LÀM ĐÔNG THỰC PHẨM 103

1 Làm đông bằng môi trường không khí 103

1.1 Ưu, nhược điểm 103

1.2 Những điều kiện cụ thể 103

1.3 Cách tiến hành 104

1.4 Giới thiệu một số hệ thống cấp đông gió 106

2 Làm đông bằng tủ đông tiếp xúc 115

2.1 Ưu nhược điểm 115

2.2 Thiết bị làm đông tiếp xúc (tủ đông tiếp xúc – Contact Freezer) 115

2.3 Một số hệ thống cấp đông dùng tủ đông tiếp xúc 118

3 Làm đông bằng khí hóa lỏng 124

3.1 Ưu nhược, điểm 124

3.2 Nguyên lý làm đông 124

3.3 Thiết bị làm đông bằng khí hóa lỏng 125

VI CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM ĐÔNG CHIA THEO DẠNG SẢN PHẨM 127

1 Làm đông rời 127

2 Làm đông khối 127

VII MẠ BĂNG SẢN PHẨM ĐÔNG LẠNH 128

1 Ý nghĩa 128

2 Yêu cầu 128

3 Cách tiến hành 128

VIII BẢO QUẢN SẢN PHẨM ĐÔNG LẠNH 129

1 Các điều kiện bảo quản sản phẩm đông lạnh 129

1.1 Nhiệt độ của sản phẩm 129

1.2 Nhiệt độ của môi trường không khí 130

1.3 Sự lưu thông của không khí 130

2 Những biến đổi của sản phẩm trong quá trình bảo quản lạnh đông 130

2.1 Biến đổi về mặt vật lý 130

2.2 Biến đổi về mặt hóa học 131

2.3 Biến đổi về mặt vi sinh vật 131

3 Cách sắp xếp sản phẩm 131

IX TAN GIÁ SẢN PHẨM ĐÔNG LẠNH 132

1 Bản chất của quá trình tan giá 132

2 Các phương pháp làm tan giá 133

2.1 Môi trường không khí 133

2.2 Môi trường lỏng 133

2.3 Tan giá bằng dòng điện cao tần 133

X BÀI TOÁN TÍNH CHI PHÍ LẠNH CHO HỆ THỐNG TỦ CẤP ĐÔNG 134

BÀI TOÁN 1: 134

1 Tính toán tủ cấp đông 134

1.1 Xác định kích thước của dàn lạnh 134

1.2 Xác định kích thước tủ 136

1.3 Thiết kế của tủ 136

2 Tính toán nhiệt tải 137

2.1 Chi phí lạnh của quá trình làm đông 137

2.2 Nhiệt lượng lấy ra từ khuôn khay 141

2.3 Nhiệt lượng lấy ra để làm lạnh không khí trong tủ 142

2.4 Nhiệt lượng do môi trường xâm nhập vào vách và cửa tủ 143

2.5 Nhiệt lượng do xâm nhập từ môi trường qua đường ống làm quá nhiệt hơi môi chất lạnh hút về máy nén 145

2.6 Xác định phụ tải lạnh của máy nén 148

3 Chọn máy lắp đặt phù hợp với năng suất và môi chất lạnh 148

3.1 Tính cho phần thấp áp 148

3.2 Tính cho phần cao áp 151

3.3 Tổng công suất tiếp điện của động cơ như sau: 154

BÀI TOÁN 2: 155

4 Tính thiết kế băng chuyền cấp đông IQF 155

4.1 Tính toán các thông số băng chuyền 155

4.2 Cách nhiệt, cách ẩm 157

4.3 Tính toán phụ tải nhiệt cho thiết bị cấp đông IQF 158

4.4 Xác định tải nhiệt cho thiết bị và máy nén 161

4.5 Tính toán chọn máy nén 162

Chương 5: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ 171

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ 171

1 Lịch sử phát triển 171

2 Ýnghĩa kinh tế 171

2.1 Ứng dụng của nước đá trong bảo quản thực phẩm 171

2.2 Ứng dụng của nước đá trong đời sống và sản xuất 172

II CƠ SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ 172

1 Một số tính chất lý hóa của nước đá ở 00C và áp suất 0,98 bar (pkq = 1 at) 172

2 Các giai đoạn của công nghệ sản xuất nước đá 174

3 Sự liên hợp giữa các phân tử nước 175

4 Quá trình đông đá của nước 176

5 Truyền nhiệt và đông đá ở thành làm lạnh 177

5.1 Thiết lập phương trình truyền nhiệt 177

5.2 Điều kiện cho sự đông đá xảy ra 179

5.3 Thời gian làm đông đá 182

III CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ 184

1 Phân loại nước đá 184

1.1 Nước đá đục 186

1.2 Nước đá trong suốt 186

1.3 Nước đá pha lê 187

1.4 Một số loại đá khác 187

2 Quy trình công nghệ sản xuất nước đá 188

3 Các phương pháp sản xuất nước đá 188

3.1 Sơ đồ thiết bị chung trong công nghệ sản xuất nước đá 189

3.2 Phương pháp sản xuất nước đá khối 190

3.4 Phương pháp sản xuất nước đá ống hay nước đá viên (nước đá tinh khiết) 215

3.5 Một số máy và thiết bị sản xuất nước đá khác 218

IV TÍCH LẠNH 221

V BÀI TOÁN TÍNH CHI PHÍ LẠNH 225

1 Bước 1: Tính toán kích thước của bể đá nước muối 225

1.1 Tính chiều dài của bể đá (ký hiệu: D) 225

1.2 Tính chiều rộng của bể đá (ký hiệu: R) 226

1.3 Tính chiều cao của bể đá (ký hiệu: H) 226

1.4 Tính diện tích mặt bằng của bể đá cần xây dựng (ký hiệu: S) 226

1.5 Tính thể tích của bể đá cần xây dựng (ký hiệu: V) 226

1.6 Tính thể tích bể nước cung cấp cho sản xuất (ký hiệu: V nước ) 227

2 Bước 2: Tính toán cách nhiệt – cách ẩm cho kết cấu bao che của bể đá nước muối 228

2.1 Tính cách nhiệt – cách ẩm cho tường bao xung quanh của bể đá 228

2.2 Tính cách nhiệt – cách ẩm cho nền của bể đá 230

2.3 Tính hệ số truyền nhiệt nắp của bể đá 232

3 Bước 3: Tính chi phí lạnh (phụ tải) của bể đá nước muối 232

3.1 Tính Q 1 232

3.2 Tính Q 2 233

3.4 Tính Q 4 234

3.5 Tính Q 5 234

3.6 Thời gian làm đông đá 235

3.7 Tính toán năng suất lạnh của máy nén lạnh cần lắp đặt Q 0 mn 236

4 Trong trường hợp một ngày đêm có thể làm nhiều mẻ 236

4.1 Tính số lượng khuôn trong một mẻ 236

4.2 Tính Q 1 237

4.3 Tính Q 2 237

4.5 Tính Q 4 238

4.6 Tính Q 5 238

Chương 6: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ 239

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ 239

II CƠ SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ 240

1 Tính chất hóa – lý của khí cacbonic (CO2) 240

2 Làm lạnh – lạnh đông bằng đá khô 242

III NGUỒN NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ 242

1 Nguồn CO2 của quá trình lên men rượu bia 242

2 Nguồn CO2 từ tổng hợp NH3 243

3 Nguồn CO2 từ cacbonat thiên nhiên 244

4 Nguồn CO2 thiên nhiên ở mỏ 244

5 Nguồn CO2 từ khói 245

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ 245

1 Tổng quan về các phương pháp sản xuất đá khô (đá CO 2 ) 245

2 Sản xuất đá khô theo chu trình áp suất cao 247

2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị 247

2.2 Đồ thị chu trình nhiệt động của hệ thống 248

2.3 Nguyên lý làm việc 248

2.4 Các phương trình tính toán 251

3 Sản xuất đá khô theo chu trình áp suất trung bình 253

3.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị 253

3.2 Đồ thị chu trình nhiệt động 254

3.3 Nguyên lý làm việc 254

3.4 Các phương trình tính toán 256

V BẢO QUẢN ĐÁ KHÔ 257

Chương 7: CÔNG NGHỆ LẠNH TRONG SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT 259

I MỞ ĐẦU 259

II CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA [16] 260

1 Lịch sử phát triển 260

2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới và ở Việt Nam 262

2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới 262

2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam 263

3 Quy trình công nghệ sản xuất bia [16] 264

3.1 Bản chất quá trình sản xuất bia 264

3.2 Các nguyên liệu chính để sản xuất bia 265

3.3 Quy trình công nghệ sản xuất bia 281

4 Các giai đoạn công nghệ và quá trình thiết bị sản xuất bia 282

4.1 Quá trình và thiết bị sản xuất dịch men 282

4.2 Quá trình và thiết bị lên men 308

4.3 Quá trình và thiết bị lọc, bão hòa CO 2 , đóng chai – lon và bảo quản 331

5 Tính cân bằng vật chất trong công nghệ sản xuất bia 333

5.1 Tính cân bằng vật chất cho G = 100 kg malt 333

5.2 Tính định mức nguyên liệu cho 1 Hl bia thành phẩm 336

6 Tính toán phụ tải lạnh sản xuất bia 337

6.1 Tính Q 1 338

6.2 Tính Q 2 340

6.3 Tính Q 3 341

6.4 Tính Q 4 341

6.5 Tính Q 5 351

6.6 Tính Q 6 351

6.7 Tính Q 7 352

III THU HỒI CO2 TỪ NHÀ MÁY BIA 359

1 Tổng quan về quy trình và hệ thống thiết bị thu hồi khí CO2 359

1.1 Quy trình công nghệ thu hồi khí CO 2 sản phẩm của quá trình lên men sản xuất bia [16] 359

1.2 Sơ đồ hệ thống thiết bị thu hồi CO 2 từ thiết bị lên men bia 360

1.3 Cấu tạo các thiết bị của hệ thống thu hồi khí CO 2 360

1.4 Giới thiệu hệ thống thu hồi CO 2 lỏng của Công ty bia Sài Gòn 387

1.6 Sơ đồ hệ thống thu hồi CO 2 lỏng 391

2 Tính toán hệ thống thu hồi CO2 392

2.1 Xác định năng suất CO 2 sinh ra của nhà máy bia 392

2.2 Tính toán năng lượng cho hệ thống thu hồi CO 2 393

IV CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA 429

1 Các tính chất vật lý và thành phần hóa học của sữa 429

1.1 Các tính chất vật lý của sữa 429

1.2 Thành phần hóa học của sữa 435

2 Một số quy trình công nghệ chế biến sữa [16] 455

2.1 Quy trình công nghệ sản xuất sữa cô đặc của VINAMILK 455

2.2 Công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng của Nhà máy chế biến sữa Cô gái HÀ LAN 467

3 Tính toán quá trình cô đặc 490

4 Tính toán phụ tải lạnh trong công nghệ chế biến sữa 490

V CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KEM [16] 490

VI CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐỒ HỘP NƯỚC RAU QUẢ [16] 492

1 Đặc điểm về nguồn nguyên liệu 492

2 Công nghệ sản xuất đồ hộp nước quả [16] 493

2.1 Đặc điểm chung 493

2.2 Phân loại đồ hộp nước quả 493

2.3 Yêu cầu về nguyên liệu chế biến đồ hộp nước quả 494

2.4 Quy trình tổng quát sản xuất đồ hộp nước quả 495

3 Công nghệ sản xuất đồ hộp nước rau củ 503

4 Công nghệ sản xuất đồ hộp nước cà chua 503

4.1 Lịch sử phát triển của cây cà chua 503

4.2 Thành phần hóa học của quả cà chua dùng làm nguyên liệu 504

5 Công nghệ sản xuất một số sản phẩm từ dứa 505

5.1 Nguồn gốc cây dứa 505

5.2 Phân loại dứa 505

5.3 Đặc điểm thực vật của cây dứa 507

5.4 Thành phần hóa học 510

5.5 Vùng phân bố 512

5.6 Các sản phẩm chế biến 513

5.7 Quy trình công nghệ chế biến necta dứa 514

5.8 Giới thiệu về một số nguyên liệu khác 518

PHỤ LỤC 1 523

PHỤ LỤC 2 526

PHỤ LỤC 3 528

PHỤ LỤC 4 534

PHỤ LỤC 5 535

PHỤ LỤC 6 537

PHỤ LỤC 7 541

TÀI LIỆU THAM KHẢO 545

17

Chương 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ – NHIỆT

CỦA THỰC PHẨM

I MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM

Tính chất vật lý của thực phẩm có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình trao đổi nhiệt khi làm lạnh hoặc khi sấy thực phẩm, nói chung là khi chế biến thực phẩm Trong quá trình chế biến thực phẩm, để nâng cao chất lượng thực phẩm, giữ nguyên giá trị dinh dưỡng của nó thì cần phải biết được các tính chất vật lý, hóa học và sinh học v.v, từ đó mới đưa ra được quy trình công nghệ chế biến một cách hợp lý và hiệu quả nhất, mang lại lợi ích cho con người và cho xã hội

1 Hình dạng hình học của thực phẩm

Hình dạng hình học có liên quan đến khả năng trao đổi nhiệt của thực phẩm, khả năng này phụ thuộc vào khoảng cách và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Trong tự nhiên hình dạng của thực phẩm rất phong phú và phức tạp, nhưng trong thực tế, khi chế biến người ta thường đưa các sản phẩm thực phẩm về các hình dạng chuẩn như hình hộp lập phương, hình hộp chữ nhật, hình trụ và hình cầu hoặc có thể dùng phương pháp so sánh tương đương với hình dạng chuẩn

Chỉ số hình dạng (cshd): là tỷ số giữa diện tích bề mặt với thể tích

của vật, có thể so sánh chỉ số hình dạng của các vật thể có hình dạng chuẩn khác nhau trong trường hợp có cùng nửa bề dày

Nửa bề dày: là khoảng cách từ trung tâm của vật đến bề mặt có

khả năng trao đổi nhiệt lớn nhất của nó

Hai hình này khác nhau là giữa R và h thì khả năng trao đổi nhiệt giữa hai bề mặt cong và phẳng sẽ khác nhau

h 3.

6

Q

Như vậy chỉ số hình dạng là:

R h h

R

h R R

V

F cshd

t

2 2

R R

R V

F cshd

c

.34

43

t

t

V

F R R h V

Thực tế cho thấy, muốn tăng thời gian trao đổi nhiệt thì phải tăng chỉ số hình dạng và ngược lại

2 Góc trượt

Là góc nghiêng mặt đỡ trên đó thực phẩm bắt đầu biến đổi trạng thái giữa đứng yên và chuyển động dưới tác dụng trọng lượng của bản thân Góc trượt được ứng dụng trong tính toán các thiết bị vận chuyển thực phẩm ở những độ cao khác nhau

Bảng 1.1 Giá trị các góc trượt theo vật liệu

3 Khối lượng riêng (  : kg/m 3 )

Nếu một vật có khối lượng là G (kg) chiếm một thể tích là V (m3) thì khối lượng riêng được định nghĩa theo tỷ số như sau:

3/, kg m V

G



Khối lượng riêng được ứng dụng trong tính toán thiết kế kho lạnh

và các dụng cụ chuyển hàng hay sản phẩm đông lạnh, phương tiện vận chuyển v.v, ngoài ra khối lượng riêng còn cho biết mức độ biến đổi hóa học về thực phẩm, trong nhiều trường hợp chất lượng thực phẩm giảm kéo theo khối lượng riêng giảm, khối lượng riêng thường được tính ở hai dạng khối lượng riêng cá thể và khối lượng riêng hỗn hợp

II MỘT SỐ TÍNH CHẤT NHIỆT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM

1 Nhiệt dung riêng (c: kJ/(kg.K))

Nhiệt dung riêng là lượng nhiệt của một kilôgam thực phẩm trao đổi với môi trường xung quanh để nhiệt độ của nó biến đổi là một độ Giả sử trong G kg thực phẩm hoặc vật thể nào đó có Gn kg nước và

Gk kg chất khô, khi đó độ ẩm W của thực phẩm hoặc vật thể nào đó được xác định theo công thức sau:

 Trường hợp 1: Khi nước trong thực phẩm không đóng băng thì

nhiệt dung riêng của nó rất ít phụ thuộc vào nhiệt độ mà chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng nước Lúc đó nhiệt dung riêng được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

- c’ = 4,186 kJ/(kg.K) là nhiệt dung riêng của nước;

- c’’= 1,3 kJ/(kg.K) là nhiệt dung riêng của chất khô trong thực phẩm;

- W: độ ẩm của thực phẩm hay tỷ lệ nước trong thực phẩm

 Trường hợp 2: Khi nước trong thực phẩm đóng băng, nước đá

được tạo thành có nhiệt dung riêng nhỏ bằng khoảng ½ lần của nước, vì vậy khi nhiệt độ giảm, tỷ lệ nước đá tăng thì nhiệt dung riêng của thực phẩm giảm, ở một nhiệt độ nào đó ta có thể xác định nhiệt dung riêng của thực phẩm từ nhiệt dung riêng của các thành phần

Nếu ở một nhiệt độ nào đó nước trong thực phẩm đóng băng có tỷ

lệ là , như vậy tỷ lệ nước chưa đóng băng là (1 - ) Tỷ lệ nước đóng băng được xác định theo công thức sau:

 ndb n

G G

- c: nhiệt dung riêng của thực phẩm, kJ/(kg.K);

- c’: nhiệt dung riêng của nước, kJ/(kg.K);

- c’’: nhiệt dung riêng của chất khô thực phẩm, kJ/(kg.K);

- c’’’= 2,09 kJ/(kg.K) là nhiệt dung riêng của nước đá, kJ/(kg.K);

- W: tỷ lệ nước trong thực phẩm;

- : tỷ lệ nước đóng băng tạo thành nước đá

Trong thực tế, thường phải tính nhiệt dung riêng trung bình của thực phẩm trong một giai đoạn làm đông, nhiệt dung riêng trung bình được xác định theo công thức sau

t t

t

2 2

ln



 là nhiệt độ trung bình logarit trong quá trình làm đông;

- tdb: nhiệt độ đóng băng của nước trong thực phẩm;

- t2: nhiệt độ cuối cùng trong quá trình làm đông thực phẩm

2 Tỷ nhiệt trung bình của thực phẩm

Tỷ nhiệt (gọi là nhiệt dung riêng) C của thực phẩm được tính theo công thức trung bình như sau:

C =

G

G C G

G C

n

i

i i

n

i i

(1.6)

Trong đó:

- Ci: tỷ nhiệt của chất i có trong thực phẩm, kJ/(kg.K);

- Gi: khối lượng của chất i của thực phẩm, kg;

- G: tổng khối lượng của thực phẩm, kg

Ở nhiệt độ từ 0 đến 300C thì tỷ nhiệt của:

- Nước: Cn = 1 kCal/(kg.K) = 4,186 kJ/(kg.K)

- Mỡ: (lipid) Clipid = 0,5 kCal/(kg.K) = 2,11 kJ/(kg.K)

- Chất khô: Cchất khô = 0,32 kCal/(kg.độ) = 1,3kJ/(kg.K)

Bảng 1.2 Nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của vật liệu thực phẩm

STT Tên vật liệu

Nhiệt dung riêng kJ/(kg.K)

Nhiệt dung riêng kCal/(kg.K)

Khối lượng riêng kg/m 3

1,21 – 1,4 3,33 – 3,47 3,49 – 3,63 2,884 – 3,278

2,9 – 3,646

1 0,5 0,32 0,51 0,35 0,33

0,29 – 0,334 0,795 – 0,830 0,834 – 0,866 0,689 – 0,783

Chú ý: tỷ nhiệt này luôn thay đổi theo nhiệt độ và trong các bài toán

tính toán thiết kế có thể lấy các giá trị trong bảng 1.2 và xem như nó không

thay đổi còn khối lượng riêng luôn thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm

3 Hàm nhiệt

Hàm nhiệt được hiểu là lượng nhiệt được tạo ra cho một đơn vị khối lượng của vật do quá trình biến đổi trạng thái của nó, ở thực phẩm chỉ xác định độ biến đổi hàm nhiệt và đó là lượng nhiệt mà một đơn vị khối lượng thực phẩm trao đổi với môi trường bên ngoài Độ biến đổi hàm nhiệt của thực phẩm trong trường hợp nhiệt độ của trạng thái thay đổi, được xác định theo công thức sau:

q = h= h2 – h1 = c.t (1.7) Trong đó:

- c: nhiệt dung riêng của thực phẩm, kJ/(kg.K);

- t: độ biến đổi nhiệt độ, phụ thuộc vào lượng nước, 0C;

- h1, h2: lần lượt là entalpy ở trạng thái đầu và trạng thái cuối của thực phẩm khi thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, kJ/kg

Trong thực tế các hằng số và đồ thị được xác định dựa trên cơ sở quy ước là trong điều kiện cụ thể nào đó hàm nhiệt của thực phẩm bằng không, hàm nhiệt của thực phẩm giảm theo sự giảm hàm lượng nước và nhiệt độ của nó

4 Hệ số dẫn nhiệt (  : W/(m.K))

Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự trao đổi nhiệt bên trong vật đồng chất, khái niệm của nó có thể được phát biểu từ định luật Furier

n

t

q gradient

q d

dF gradient dQ

Q









Trong đó:

- Q: dòng nhiệt trao đổi với môi trường, kJ;

- F: diện tích của bề mặt trao đổi nhiệt, m2;

t j x

t i n

Như vậy hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị thể tích hình lập phương của thực phẩm, với phương truyền vuông góc hai mặt có độ chênh lệch nhiệt độ là 10C, trong thời gian một giây

Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm có thể xác định trong hai trường hợp sau

 Trường hợp 1: nước trong thực phẩm không đóng băng, lúc này

hệ số dẫn nhiệt vẫn ít phụ thuộc vào nhiệt độ mà nó phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng nước của thực phẩm

-  ’= 0,605 W/(m.K) là hệ số dẫn nhiệt của nước;

-  ’’= 0,256 W/(m.Kä) là hệ số dẫn nhiệt của chất khô

 Trường hợp 2: nước trong thực phẩm đóng băng, nước đá được

tạo thành có hệ số dẫn nhiệt lớn gấp 4 lần hệ số dẫn nhiệt của nước, do

đó nhiệt độ của thực phẩm giảm, tỷ lệ nước đá đóng băng tăng, hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm tăng, trong thực tế hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm được tính theo giá trị trung bình của nhiệt độ trong giai đoạn làm đông thực phẩm và được xác định theo công thức sau:

- t2: nhiệt độ cuối của quá trình cấp đông, 0C;

- tdb: nhiệt độ đóng băng của nước, 0C;

- w: hàm lượng nước trong thực phẩm, %;

-  : hệ số dẫn nhiệt trung bình trong giai đoạn cấp đông, W/(m.K)

- c (kJ/(kg.K)) là nhiệt dung riêng của thực phẩm;

-  (kg/m3) là khối lượng riêng thực phẩm

Khi nước trong thực phẩm không đóng băng thì hệ số dẫn nhiệt độ của thực phẩm ít phụ thuộc vào nhiệt độ

Khi nước trong thực phẩm đóng băng thì hệ số dẫn nhiệt độ tăng khi nhiệt độ của thực phẩm giảm

6 Hệ số cấp nhiệt (: W/(m 2 K))

Hệ số cấp nhiệt (hệ số tỏa nhiệt) là đại lượng đặc trưng cho khả năng trao đổi nhiệt của bề mặt thực phẩm với môi trường lỏng và không khí xung quanh

Theo phương trình Newton – Ricman, ta có:

w

f t t

q

Với: q: nhiệt lượng riêng, kJ/kg;

tf: nhiệt độ môi trường xung quanh thực phẩm, 0C;

tw: nhiệt độ bề mặt thực phẩm, 0C

Hệ số cấp nhiệt được tính là lượng nhiệt trao đổi trên 1m2 diện tích

bề mặt thực phẩm trong thời gian một giây do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt thực phẩm với môi trường là 10C

Hệ số cấp nhiệt của thực phẩm được xác định trên cơ sở sự liên hệ giữa các chuẩn số đồng dạng không thứ nguyên Reynold (Re), Prant (Pr)

và Nuxel (Nu), sự liên hệ đó được biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

 Nếu thực phẩm hình cầu: Nu = 0,33.Re0,6

Trước hết đi tìm chuẩn số Reynold, chuẩn số này được xác định theo công thức sau:

w R

Re 

Trong đó:

- w: vận tốc chuyển động của môi trường, m/s;

- R: nửa bề dày của thực phẩm, m;

- : độ nhớt tĩnh học của môi trường, m2/s

Sau đó tìm giá trị Nu theo hình dạng của thực phẩm và cuối cùng tìm hệ số cấp nhiệt theo phương trình sau

R

Trong đó:

-  : hệ số dẫn nhiệt của môi trường, W/(m.K);

- R: nửa bề dày của thực phẩm, m

Trong thực tế bề mặt thực phẩm thường ẩm ướt và nước từ thực phẩm bay hơi Quá trình này thu nhiệt làm tăng quá trình trao đổi nhiệt ở mặt thực phẩm, khi đó hệ số cấp nhiệt được tính toán theo công thức sau

 hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và ẩn nhiệt hóa hơi;

- r: nhiệt hóa hơi của nước, KJ/kg;

-  = 6385 – 147.tt 0, nếu t0 ≥ 0;

-  = 6385 -1,2.t 2

0

t - 335.t0, nếu t0 < 0;

- t0: nhiệt độ môi trường;

-  : hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ t

7 Nhiệt lượng và tính chất của nhiệt lượng

7.1 Đơn vị của nhiệt lượng

Nhiệt lượng là một dạng năng lượng cũng như điện năng, hóa năng hay cơ năng v.v và có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác với cường

độ tương ứng biểu thị qua nhiệt độ, còn nhiệt độ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho sự nóng hay lạnh của vật chất và nó là thông số cơ bản nhất để tính toán nhiệt lượng cho một quá trình nhiệt động học nào đó Hiện nay có nhiều đơn vị đo nhiệt lượng khác nhau như: J (Jun), Wh (Watt – giờ), Cal (Calori), Btu (British thermal unit)

Hệ số biến đổi năng lượng nhiệt

1 [Wh] = 3,411 [Btu]; 1 [Btu] = 0,252 [kCal]; 1 [Btu] = 1055,04 [J]

1 [kCal] = 3,968 [Btu]; 1 [Wh] = 3600 [J]; 1[Btu] = 3,93.10-4 [Hp]

7.2 Tính chất của nhiệt lượng

Nhiệt lượng luôn chuyển dịch từ khoảng nóng sang khoảng lạnh theo quy luật tự nhiên của nó, còn nếu chuyển dịch theo chiều ngược lại thì phải tiêu tốn năng lượng công

Năng lượng trong tự nhiên có thể truyền đi theo ba phương thức sau:

 Dẫn truyền nhiệt (conduction heat): là sự truyền nhiệt (transfer

heat) xảy ra chủ yếu ở các vật rắn, trong đó năng lượng sẽ di chuyển từ

phân tử này sang phân tử khác

 Đối lưu nhiệt (convection heat): là sự truyền nhiệt chủ yếu xảy

ra ở chất lỏng và hơi, trong đó các phân tử tải nhiệt sẽ chuyển động và

va chạm truyền năng lượng cho các phần tử khác từ vị trí này sang vị trí khác

 Bức xạ nhiệt (radiation heat): là sự truyền nhiệt dưới dạng sóng

như quang tuyến và vô tuyến, sự truyền nhiệt này có thể xảy ra trong mọi môi trường, còn trong môi trường trong suốt sự truyền nhiệt này không ảnh hưởng đến nhiệt độ Nhiệt bức xạ không trông thấy được cho đến khi

nó va chạm vào mặt phẳng đục hay vật hấp thụ và bị hấp thụ làm nhiệt độ tăng lên thì lúc này mới cảm nhận được

7.3 Nhiệt nhạy cảm (sensible heat)

Là nhiệt lượng làm thay đổi nhiệt của một chất, có thể đo bằng một nhiệt kế thông thường Các cảm biến nhiệt (heat sensor) nhờ có nhiệt nhạy cảm này mà có thể xác định nhiệt độ

7.4 Nhiệt lượng riêng (specific heat)

Là tỷ số giữa lượng nhiệt nhạy cảm cần thiết để tăng 1pound (1pound = 453,6g) của bất kỳ chất nào lên 10F và lượng nhiệt cần thiết để tăng 1pound nước lên 10F, trong công nghệ lạnh còn có nhiệt lượng riêng

về khối lượng và nhiệt lượng riêng về thể tích, trong ngành kỹ thuật lạnh

về môi chất lạnh thì hai khái niệm này rất thông dụng để đánh giá về tính chất nhiệt động của môi chất lạnh

7.5 Ẩn nhiệt (unvisible heat)

Dưới điều kiện nhất định, hầu hết các chất đều có khả năng chuyển đổi giữa hai hay nhiều trạng thái (hơi – lỏng – rắn) Chẳng hạn, khi cấp một lượng nhiệt cho 1 kg của một chất lỏng nào đó hóa hơi hoàn toàn trong một điều kiện nhất định thì lượng nhiệt đó gọi là ẩn nhiệt hóa hơi, hoặc 1 kg chất rắn nào đó nóng chảy hoàn toàn thì gọi là

ẩn nhiệt nóng chảy, tương tự sẽ có ẩn nhiệt hóa tuyết (hơi chuyển thành rắn),v.v Có thể lấy một ví dụ cụ thể như sau: nước trong tự nhiên luôn

có khả năng tồn tại ở ba thể rắn – lỏng – khí, nhiệt lượng cần thiết để chuyển 1 kg nước đá từ thể rắn sang thể lỏng và từ thể lỏng sang thể hơi (hay ngược lại) mà không thay đổi nhiệt độ và áp suất được gọi là ẩn nhiệt nóng chảy và ẩn nhiệt hóa hơi Khi áp suất thay đổi thì các trị số

ẩn nhiệt này sẽ thay đổi theo

7.6 Nhiệt bốc hơi (evaporate heat)

Lượng nhiệt để biến đổi 1kg chất lỏng thành hơi mà vẫn không thay đổi nhiệt độ gọi là nhiệt bốc hơi, ẩn nhiệt hóa hơi (hay ẩn nhiệt bốc hơi) của một số chất hình thành nên cơ sở kỹ thuật lạnh

Nhiệt bốc hơi của nước: sau khi đun nước đến nhiệt độ 1000C (ở áp suất khí quyển) thì cần 244,4 kCal để biến đổi 1kg nước thành hơi ở

1000C

7.7 Bốc hơi sinh lạnh (evaporate to freeze)

Nhiệt độ mà ở đó một chất lỏng sôi hoặc bốc hơi gọi là điểm sôi Nhiều loại chất lỏng có điểm sôi rất thấp, do đó khi nhận nhiệt lượng từ môi trường xung quanh có nhiệt độ cao chúng tự sôi và bốc hơi làm lạnh môi trường xung quanh Bốc hơi sinh lạnh thường gặp rất nhiều ở các môi chất lạnh, ví dụ như: amôniăc (NH3), Freon (R12, R22, R502, …), nước, … Chẳng hạn như amôniăc (NH3) ký hiệu là R717, sôi ở áp suất khí quyển với nhiệt độ điểm sôi là ts = -33,350C; Freon 12 (R12) sôi ở áp suất khí quyển, nhiệt độ điểm sôi ts = -29,80C; Freon 22 (R22) sôi ở áp suất khí quyển, nhiệt độ điểm sôi ts = -40,80C; Freon 13 (R13) sôi ở áp suất khí quyển, nhiệt độ điểm sôi ts = -81,40C Nhiệt độ sôi này thay đổi khi áp suất thay đổi, ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi đối với tất cả môi chất lạnh tương đối thấp

III TÁC ĐỘNG CỦA LẠNH ĐỐI VỚI SINH HÓA CỦA THỰC PHẨM

1 Tác động của lạnh đối với tế bào sống

Hoạt động sống của mọi vi sinh vật đều phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm các hoạt động trao đổi chất và năng lượng của cơ thể sống giảm Trong trường hợp nước bị đóng băng, khi làm lạnh thì thông thường tế bào sống mất khả năng phục hồi sự sống, bởi vì quá trình đóng băng của nước là quá trình phân bố lại nước trong cấu trúc của nó, điều này trong nhiều trường hợp gây rối tới cấu trúc của tế bào sống Mặt

khác, khi nước đóng băng do thể tích nước đá tăng nên gây ra hiện tượng rách màng tế bào, khi nhiệt độ tăng thì các tinh thể nước đá nóng chảy nhưng trạng thái tế bào không được phục hồi hoàn toàn như trạng thái tự nhiên lúc ban đầu của chúng, dẫn đến tế bào sống sẽ thay đổi tính chất mất khả năng hoạt động sống Đối với tế bào thực vật, do cấu trúc vững chắc nên làm hoạt động sống diễn ra đơn giản hơn, đặc biệt là quá trình trao đổi năng lượng ít nên khả năng chịu lạnh tốt hơn, một số trường hợp khi ¼ lượng nước bị đóng băng thì tế bào thực vật vẫn có thể phục hồi sự sống Ảnh hưởng của hiện tượng đóng băng nước sẽ bị giảm đi khi hàm lượng các chất tan trong tế bào tăng lên, đặc biệt là các chất có khả năng liên kết tốt với nước như glycerin, bởi vì chúng làm giảm nhiệt độ đóng băng, hạn chế sự chuyển động của các tế bào nước trong quá trình kết tinh của nước

Đối với tế bào động vật, do hoạt động sống gắn liền với cơ thể sống với các hoạt động trao đổi chất và năng lượng rất phức tạp nên dễ bị mất khả năng phục hồi sự sống Tế bào động vật mất khả năng sống khi nước chưa đóng băng chủ yếu là do nhiệt độ giảm, tế bào bị mất năng lượng,

độ nhớt của các dịch thể tăng, trong nhiều trường hợp có sự phân lớp của các chất dẫn đến làm thay đổi tính chất sinh học của chúng Trong một số trường hợp nhiệt độ thay đổi đột ngột ở những khoảng nhiệt độ rất thấp, cấu trúc của tế bào, đặc biệt là trạng thái của nước, có thể chuyển về dạng không định hình hoặc những tinh thể nước đá kích thước rất nhỏ, nhờ đó

mà cấu trúc của tế bào không bị thay đổi, khả năng phục hồi sự sống vẫn được bảo tồn Một số loại động vật còn có thể chuyển về trạng thái ngủ ở nhiệt độ gần 00C, hầu như không hoạt động sống trong một thời gian, điều này đã được ứng dụng để vận chuyển thực phẩm tươi sống, giúp giữ nguyên giá trị của chúng mà lại giảm được chi phí vận chuyển

2 Tác động của lạnh đối với vi sinh vật

Vi sinh vật bị giảm hoạt động sống hoặc bị tiêu diệt khi nhiệt độ giảm bởi vì cơ thể của chúng mất năng lượng dẫn đến ngừng quá trình trao đổi chất, trong nhiều trường hợp có sự phá vỡ cấu trúc tế bào khi nước kết tinh Tuy nhiên có nhiều vi sinh vật có khả năng chịu lạnh tốt, chúng có thể hoạt động và phát triển ở nhiệt độ nhỏ hơn -80C, như các loại nấm mốc có thể hoạt động ở nhiệt độ -180C Nhưng nhìn chung khi nhiệt độ hạ xuống dưới -100C thì đa số các loại vi sinh vật gây hại cho cơ thể con người sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn

IV THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA THỰC PHẨM ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT KHI LÀM LẠNH – LÀM LẠNH ĐÔNG

Thực phẩm luôn chứa đựng các thành phần dinh dưỡng như protein, lipid, gluxit, vitamin, khoáng và nước, ngoài ra nó còn chứa một

số hợp chất có hoạt tính sinh học mạnh là thành phần rất quan trọng cho

sự sống của con người Trong thực phẩm luôn tồn tại các dạng liên kết hóa học giữa protein, lipid, gluxit và một số các hợp chất khác với nhau, trong thành phần liên kết đó đa phần có sự tham gia của các phân tử nước, sự liên kết này có ảnh hưởng rõ rệt trong quá trình làm lạnh và làm lạnh đông Nước trong thực phẩm luôn tồn tại ở hai dạng là nước tự do

và nước liên kết Nước tự do là loại nước tham gia vào quá trình vận chuyển các chất dinh dưỡng qua màng tế bào và là nguyên nhân gây ra sự chênh lệch áp suất thẩm thấu trong quá trình sống của tế bào trao đổi chất Năng lượng nước tự do thường nằm chủ yếu ở gian bào, còn nước liên kết tham gia vào cấu trúc của tế bào Trong quá trình làm lạnh thì nước tự do luôn kết tinh trước, sau đó mới đến nước liên kết, do ảnh hưởng của thành phần các chất tan mà các loại nước này có nhiệt độ đông đặc thấp hơn 00C, nhiệt độ đông đặc của chúng khoảng từ -100C đến -50C tuỳ thuộc vào thành phần của thực phẩm

Đối với thực phẩm có hàm lượng lipid cao thì do khả năng truyền nhiệt của lipid kém nên trong quá trình làm lạnh ở bề mặt sản phẩm nước

đã đóng băng nhưng bên trong trung tâm sản phẩm nước hoàn toàn chưa đóng băng vì nhiệt độ ở tại tâm sản phẩm chưa đạt tới nhiệt độ đông đặc

do lớp lipid tạo ra một lớp cách nhiệt Vì vậy, khi làm đông lạnh sản phẩm chứa nhiều lipid thì cần phải chú ý đến các vấn đề này để thực hiện quy trình công nghệ cho chính xác, còn đối với thực phẩm chứa nhiều protein

và gluxit thì hiện tượng này sẽ được khắc phục Trong một số trường hợp nếu dịch tế bào của sản phẩm chứa hàm lượng đường thì nước trong sản phẩm có nhiệt độ đông đặc khá thấp hơn so với bình thường

Đối với nước giải khát như bia, rượu và nước ngọt, các loại nước dinh dưỡng về mặt vi sinh thì khi thanh trùng vi sinh đã bị tiêu diệt, như khi tạo gas cho nước giải khát cần phải nạp khi cacbonic (CO2), ở nhiệt

độ bình thường khả năng hòa tan CO2 rất kém, nhưng khi hạ thấp nhiệt

độ bia, rượu và các loại nước ngọt xuống khoảng từ 30C đến 80C thì khả năng hòa tan CO2 rất lớn, như vậy ở điều kiện này nạp CO2 rất dễ dàng Mặt khác, trong quá trình bảo quản lạnh có thể xảy ra các quá trình hóa

lý làm cho thực phẩm thơm ngon hơn, mang lại cảm giác sảng khoái cho con người

Chương 2 MÔI TRƯỜNG LÀM LẠNH – LÀM LẠNH ĐÔNG

Trong thực tế, môi trường làm lạnh hoặc làm lạnh đông sản phẩm thường có ba loại, đó là môi trường không khí, môi trường lỏng và môi trường rắn Trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm thì môi trường không khí và môi trường lỏng được sử dụng nhiều hơn, còn môi trường rắn như nước đá khô thường dùng để bảo quản thực phẩm trong quá trình vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm để tiêu thụ, nhưng nói chung trong một số trường hợp thì môi trường không khí vẫn tiện dụng hơn cả

I MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ

Không khí là môi trường làm lạnh rẻ tiền nhất Nó là nguồn tài nguyên vô tận đối với con người sống trên trái đất, không khí khô tuyệt đối là một hỗn hợp khí đa phần là nitơ và oxy, trong đó nitơ (N2) chiếm khoảng 78% còn oxy (O2) chiếm khoảng 20,93% về thể tích và một số các chất khí trơ khác chiếm khoảng 1%, xem như không đáng kể Trong thực tế khí quyển của trái đất không thể có không khí khô tuyệt đối được,

mà chúng luôn luôn lẫn một phần hơi nước chiếm một áp suất riêng phần khoảng từ 15 đến 20mmHg Điều này là do vỏ trái đất có đại dương luôn

chiếm 3/4 bề mặt trái đất, vì vậy hơi nước luôn tồn tại

Khi bức xạ mặt trời chiếu xuống làm cho nhiệt độ bề mặt biển, sông, hồ và không khí khô của khí quyển đồng thời tăng, dẫn đến sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong khí quyển và các bề mặt nước tăng, đây chính là động lực làm cho nước bốc hơi, vì vậy khí quyển luôn luôn tồn tại hơi nước Không khí có hơi nước được gọi là không khí ẩm

Khi xét đến tính chất môi trường cần làm lạnh bằng không khí, có thể đưa ra giả thiết như sau: Giả sử trong V (m3) không khí ẩm với nhiệt

độ t, áp suất p có G (kg) không khí khô; trong đó Gn (kg) hơi nước chiếm một áp suất riêng phần là pn, Gk (kg) không khí khô có áp suất riêng phần

là pk, như vậy có thể thiết lập được các phương trình quan hệ như sau:

1 Các loại không khí ẩm

Tuỳ theo lượng nước chứa trong không khí ẩm mà có thể chia không khí ra làm hai loại chính, đó là không khí ẩm chưa bão hòa và không khí ẩm bão hòa

Không khí ẩm chưa bão hòa là không khí ẩm mà lượng hơi nước trong đó ở trạng thái hơi quá nhiệt, trong trường hợp này nếu thêm hơi

nước vào thì hơi nước sẽ không bị ngưng tụ Trên đồ thị p – v (hình 2.1),

nó được biểu diễn ở trạng thái (1)

Không khí ẩm bão hòa là không khí ẩm mà lượng hơi nước trong

đó ở trạng thái hơi bão hòa khô, trong trường hợp này nếu ta cho thêm hơi nước vào thì nó sẽ ngưng tụ thành hạt nhỏ li ti Trên đồ thị p – v, nó ở trạng thái (2) và (2’)

Cho thêm hơi nước

vào không khí ẩm bão hòa

sẽ được không khí ẩm quá

bão hòa Trạng thái quá bão

hòa là trạng thái không

vững bền, vì lượng hơi

nước dư sẽ ngưng tụ rồi

tách ra khỏi không khí ẩm

và như vậy không khí trở

lại trạng thái bão hòa Vậy

lượng hơi nước trong

không khí ẩm bị hạn chế

bởi nhiệt độ bão hòa của

hơi nước, nhiệt độ này cũng

chính bằng nhiệt độ không khí ẩm, ứng với mỗi nhiệt độ t của không khí

ẩm khi tra bảng nước và hơi nước bão hòa thì sẽ có áp suất hơi nước bão hòa tương ứng Đó chính là áp suất riêng phần của hơi nước cao nhất có thể có được ứng với từng nhiệt độ, cho nên muốn đưa không khí ẩm chưa bão hòa thành bão hòa thì cần phải đưa hơi nước trong không khí ẩm từ trạng thái hơi quá nhiệt thành trạng thái hơi bão hòa khô Trong thực tế, có hai cách đưa không khí ẩm chưa bão hòa thành bão hòa như sau

Nếu vẫn giữ nhiệt độ không khí ẩm không đổi (t1 = const) và muốn đưa không khí ẩm chưa bão hòa thành bão hòa thì cần phải phun thêm hơi nước vào không khí ẩm đó, khi đó áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm tăng từ pn lên pnbh (pnbh là áp suất hơi nước trong không khí

lớn nhất có thể có được), quá trình đó chính là quá trình 1-2 (hình 2.1)

Còn nếu vẫn giữ lượng hơi nước trong không khí ẩm cố định (pn = const) và muốn đưa không khí ẩm chưa bão hòa thành không khí ẩm bão hòa thì cần phải hạ nhiệt độ không khí ẩm xuống nhiệt độ bão hòa (nhiệt độ sôi) ứng với áp suất pn, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ đọng sương, ký hiệu là

tđs, trên đồ thị p – v, quá trình làm lạnh đó chính là quá trình 1 -2’

2 Các thông số kỹ thuật trạng thái của không khí ẩm trong quá trình làm lạnh

2.1 Độ ẩm tuyệt đối

Trong V m3 không khí ẩm có chứa Gn kg hơi nước, lúc đó tỷ số

Gn/V gọi là độ ẩm tuyệt đối và được ký hiệu là:  (kg/mn 3)

có thể viết:

Pn.V = Gn.Rn.T

T R

p V

G

n

n n n

M

- T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, K

Trong quá trình làm lạnh sản phẩm bằng môi trường không khí thì

độ ẩm tuyệt đối tăng do nhiệt độ không khí ẩm giảm và lượng hơi nước bốc ra từ bề mặt sản phẩm, vì vậy phải chú ý khi làm lạnh – làm đông sản phẩm cần phải hạn chế sự mất nước của sản phẩm, có như vậy sản phẩm mới không bị hụt khối trong quá trình chế biến lạnh Muốn hạn chế sự mất nước thì cần phải cho sản phẩm vào hệ thống bao bì như các túi nylon hay polyme v.v

2.2 Độ ẩm tương đối

Người ta thường ứng dụng thông số kỹ thuật này trong các quá trình sấy và quá trình làm lạnh – làm lạnh đông

Độ ẩm tương đối được định nghĩa như sau: là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối  của không khí ẩm và độ ẩm tuyệt đối cực đại n nmaxmà không khí ẩm có thể có được trong trạng thái có cùng áp suất và nhiệt độ không đổi Độ ẩm tương đối được ký hiệu là 

%100.max

p T R

p V

G

n nbh

n

n n

n

max max

31,3142

  = 0% là không khí khô tuyệt đối;

2.3 Độ chứa hơi d

Nếu trong G kg không khí ẩm có chứa Gn kg hơi nước và Gk kg không khí khô thì tỷ số Gn/Gk gọi là độ chứa hơi, ký hiệu là d (kg/kg không khí khô)

Ta có pn.V = Gn.Rn.T

Vì vậy

n k

k n

k

n

R

R p

p G

p d

p d



622 , g/kg không khí khô (2.12)

2.4 Entanpi của không khí ẩm

Entanpi của không khí ẩm là tổng entanpi của không khí khô và của hơi nước chứa trong nó Nếu xét entanpi của (1 + d) kg không khí ẩm (gồm 1 kg không khí khô và d kg hơi nước) thì nó sẽ được tính theo công thức sau:

h = hk + d.hn, J/kg không khí khô (2.13) Trong đó:

- h: entanpi của không khí ẩm, J/kg không khí khô;

- hk: entanpi của không khí khô, J/kg;

- hn: entanpi của hơi nước, J/kg;

- d: độ chứa hơi, kg/kg không khí khô

Nếu quy ước chọn điểm gốc tại t = 00C và p = 101,325kPa, lúc đó:

Entanpi của không khí khô là:

Entanpi của không khí ẩm có thể tìm được tại một trạng thái bất kỳ

nào đó khi biết hai trong các thông số trạng thái đã nêu trên, bằng cách

tra bảng hay tra trên đồ thị h – d, t – d hoặc có thể tính toán trực tiếp theo

các công thức trên

2.5 Tỷ số sai biệt giữa entanpi và độ chứa hơi (hay còn gọi hệ

số ẩm nhiệt)

Đây là đại lượng dùng để biểu diễn hướng biến đổi trạng thái của

không khí, nó được tính bằng tỷ số giữa độ biến đổi hàm nhiệt với độ

biến đổi hàm ẩm của không khí

Giả sử khảo sát không khí ẩm ở hai trạng thái khác nhau (được ký

hiệu 1 và 2), ở trạng thái (1) có h1, d1, còn ở trạng thái (2) có h2 và d2, khi

đó hệ số ẩm nhiệt ký hiệu là  được biểu diễn theo công thức sau:

1 2

1 2

d d

h h d

G h h d

1 2

Như vậy hệ số ẩm nhiệt chính là tỷ số giữa lượng nhiệt

Q = G.(h2 –h1) cần thiết để làm không khí ẩm thay đổi trạng thái và lượng

ẩm W = G(d2 –d1) biến đổi tương ứng của quá trình

2.6 Các loại đồ thị của không khí ẩm

Đồ thị của không khí ẩm là loại đồ thị dùng để tra tìm các số liệu cần biết khi trạng thái của không khí ẩm được xác định Các loại đồ thị này được ứng dụng rất nhiều khi giải quyết các bài toán thiết kế hệ thống sấy và hệ thống lạnh, đặc biệt là khi tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí và hệ thống lạnh cấp đông sản phẩm

Về mặt hình thức, có thể có hai loại đồ thị h – d và t – d Tuy nhiên chức năng hay tính năng ứng dụng là như nhau

Đồ thị h – d

Hình dạng chi tiết của đồ thị h – d của Mollier được trình bày như

hình 2.2, một trạng thái không khí ẩm được xác định khi biết chính xác

tối thiểu hai trong số các trạng thái sau đây của không khí ẩm, đó là nhiệt

độ t, tđs,tư, độ ẩm tương đối  , độ chứa hơi d, entanpi h, áp suất riêng phần của hơi nước pn

Giả sử không khí ẩm ở trạng thái (1) có độ ẩm là 1 và nhiệt độ là

t1 thì cách tìm các thông số d1, h1, pn1, tđs1, tư1 như sau Trên hình 2.3 biểu

diễn trạng thái (1) một cách cụ thể trên đồ thị h – d, đó chính là giao giữa

đường 1 và đường t1 Từ điểm (1) kẻ đường vuông góc với d hay song với h, t cắt trục d tại d1 và đó chính là giá trị d1 cần xác định Đường 1-d1

cắt  =100% tại một điểm, từ điểm đó gióng đường song song với t1 cắt trục t tại tđs1, đây cũng là giá trị cần xác định Đường 1-d1 cắt đường pn = f(d) tại một điểm, từ điểm đó kẻ đường song song với d sẽ xác định được

pn1, từ điểm (1) kẻ đường song song với các đường h sẽ cắt trục h tại h1

(điểm cần tìm), và đường này cắt đường  =100% tại một điểm, từ điểm này kẻ đường song song với t1 cắt trục t tại tư1 (cũng là điểm cần tìm),

tương tự như vậy sẽ xác định được toàn bộ tất cả các thông số trạng thái còn lại của không khí ẩm

Đồ thị t – d

Đồ thị t-d thường được gọi là ẩm đồ (psychrometric chart), chức năng của nó giống như đồ thị h-d Đồ thị này thường được sử dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điều hòa không khí, nó được thiết lập bởi tập thể khoa học của tập đoàn máy lạnh Carrier nổi tiếng thế giới của Mỹ, cấu trúc cơ

bản của chúng được mô tả ở hình 2.4

Giả sử trạng thái (1) được xác định cụ thể bởi hai thông số  và h1 1, hai đường này giao nhau tại điểm (1) Từ điểm (1) kẻ một đường vuông góc với trục t sẽ tìm được giá trị t1, tương tự sẽ tìm được d1, và đường này cắt đường  = 100% tại một điểm, từ điểm này kẻ đường vuông góc với trục t sẽ tìm được giá trị tđs1 Đường h1 cắt đường  = 100% tại một điểm, từ điểm này kẻ đường vuông góc với trục t sẽ tìm được tư1 Tương

tự sẽ tìm được giá trị v1 và pn1

Chú ý rằng, đồ thị h – d được xây dựng với một giá trị áp suất khí quyển cụ thể, chẳng hạn p0 = 101,3kPa = 0,98bar Do đó nếu áp suất không khí ẩm đang khảo sát không giống áp suất p0 khi xây dựng đồ thị thì việc tra số liệu từ đồ thị sẽ dẫn đến một vài sai lệch Thông thường, trong các phép tính không khí ẩm của kỹ thuật điều hòa không khí thì có thể bỏ qua những sai lệch nói trên Tuy nhiên khi cần phải điều chỉnh thì phải lưu ý những tính toán sau đây

nbh nbh

n

n

p p

p p

p

p d

622

p p d

)

(1

)

(.622

Vì áp suất bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó khi nhiệt độ t và

độ chứa hơi không thay đổi (d = const) thì tỷ số

0

p

 cũng không thay đổi Kết luận trên cho phép ta sử dụng đồ thị h-d ứng với áp suất khí quyển p0 cho các trường hợp áp suất của không khí ẩm đang khảo sát p’0 ≠ p0 trong điều kiện có cùng nhiệt độ t, độ chứa hơi d và biểu thức suy rộng sau:

0

'

p p



(2.18) Trong đó:

-  ’ và p’0 là độ ẩm tương đối và áp suất không khí ẩm đang khảo sát

-  và p0 là độ ẩm tương đối và áp suất không khí ẩm của khí quyển

có cùng nhiệt độ và độ chứa hơi với không khí ẩm đang khảo sát

3 Các quá trình nhiệt động cơ bản xảy ra khi không khí ẩm là môi trường làm lạnh

Khí làm lạnh không khí ẩm thường có các quá trình nhiệt động xảy

ra như sau: làm lạnh không khí ẩm không có sự ngưng tụ của nước và có sự ngưng tụ của nước; làm lạnh không khí ẩm bằng cách trộn hai dòng không khí với nhau không có sự ngưng tụ của nước và có sự ngưng tụ của nước