Bài giảng quá trình và thiêt bị nhiệt

I.2.2 Mục đích khai thác của quá trình đun nóng:Qúa trình đun nóng có thể làm tăng hiệu suất thu nhận sản phẩm từ một loại nguyên liệu nào đó.. I.2.3 Mục đích chế biến của quá trình đun

BÀI GIẢNG

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NHIỆT

PHẦN II: CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG

NGHỆ CÓ SỬ DỤNG NHIỆT

PHẦN II: CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ CÓ SỬ

DỤNG NHIỆT Chương 1: QUÁ TRÌNH ĐUN NÓNG

I.1 Bản chất: là quá trình làm tăng nhiệt độ từ nhiệt độ

đầu đến nhiệt độ cuối cùng theo yêu cầu công nghệ

- Nhiệt độ ban đầu thường bằng nhiệt độ môi trường xảy ra quá trình đun nóng, nhiệt độ cuối cùng là nhiệt

độ được xác định bởi yêu cầu công nghệ của quá trình đun nóng

VD: - Đun nóng để diệt VSV thì tcuối = 100 - 120°C

- Đun nóng để làm mềm cà chua, làm bột, mứt cà

- Trong qt hoạt hóa enzym α – amylaza (quá

trình đường hóa tinh bột) thì tc = 65 - 70°C (nhiệt

độ tối ưu để α – amylaza hoạt động).

+ Quá trình đun nóng thỏa mãn điều kiện:

Δt = tc – tđ > 0Khi quá trình đun nóng liên tục thì Δt luôn luôn > 0

VD: Khi sử dụng enzym để

tăng hiệu suất ép dầu từ quả,

đầu tiên đun dịch enzym lên

nhiệt độ tối ưu (50°C) rồi giữ

ở 50°C để enzym tác dụng với

cơ chất rồi đun nóng để diệt

enzym, sau khi diệt để nhiệt

độ hạ xuống

1-2-3-4 qt đun nóng gián đoạn

4-5’ qt làm nguội

I.2 Mục đích công nghệ: Trong thực tế sản xuất người

ta chia ra các loại mục đích công nghệ như: mục đích chuẩn bị, mục đích khai thác, mục đích chế biến, mục đích bảo quản, mục đích hoàn thiện

- Một quá trình được thực hiện nhằm mục đích chuẩn bị khi kết quả của nó làm cho quá trình tiếp theo được dễ dàng hơn, năng suất hơn

VD: chần cam trước khi bóc vỏ, băm nhỏ trước khi ép…

- Một quá trình được thực hiện nhằm mục đích khai thác khi kết quả thực hiện quá trình đó nhằm mục đích thu nhận được sản phẩm

VD: quá trình ép dầu, quả…

- Một quá trình được thực hiện nhằm mục đích chế biến khi kết quả thực hiện quá trình đó làm cho chất lượng của sản phẩm từ chỗ không dùng được trở nên dùng

- Một quá trình được thực hiện nhằm mục đích bảo quản khi kết quả thực hiện quá trình đó làm cho sản phẩm được bảo quản lâu ngày VD…?

- Một quá trình được thực hiện nhằm mục đích hoàn thiện khi quá trình thực hiện quá trình đó làm cho chất lượng sản phẩm trở nên tốt hơn

QT này thường ở cuối, gần cuối công đoạn sản xuất

Như vậy: các mục đích trong 1 quy trình sản xuất 1 hay nhiều loại sản phẩm thực phẩm thường theo sơ đồ:

I.2.1 Mục đích chuẩn bị của quá trình đun nóng:

Trong thực tế có khi tiến hành quá trình đun nóng chỉ nhằm mục đích chuẩn bị cho các quá trình khác:

 Đun nóng trước khi cô đặc sản phẩm lỏng để quá trình bốc hơi nước bắt đầu nhanh hơn

 Để bóc vỏ cam, vỏ cà chua cho dễ người ta thường chần trong nước sôi trong khoảng thời gian 5-10 phút

I.2.2 Mục đích khai thác của quá trình đun nóng:

Qúa trình đun nóng có thể làm tăng hiệu suất thu nhận sản phẩm từ một loại nguyên liệu nào đó

Nhiệt độ cao có thể làm trích li các chất hòa tan như đường từ mía, dịch từ quả, làm tăng hiệu suất ép, tăng

sự hòa tan chất màu

VD: khi không đun nóng, ép chỉ thu được 40 – 50% dịch quả, còn khi đun nóng thu được 70 – 80 % dịch qủa

I.2.3 Mục đích chế biến của quá trình đun nóng:

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nhiều loại nguyên liệu bị biến đổi về cấu trúc, tính chất hóa học, hóa lý làm cho nguyên liệu bị biến đổi hẳn

Những biến về chất lượng có thể tốt lên hoặc xấu đi, trong công nghệ CBTP, người ta lợi dụng những biến đổi tốt của chất lượng để tạo ra sản phẩm có ích

VD: Nhiệt độ cao làm cho sản phẩm chín, loại bỏ những thành phần gây mùi, vị lạ làm tăng giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cơ thể cho nên làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm

I.2.4 Mục đích hoàn thiện của quá trình đun nóng:

Một số loại thực phẩm thường tồn tại ở dạng bán thành phẩm Để chất lượng của các loại này đạt tới mức hoàn thiện hơn nhiều khi phải gia nhiệt Đun nóng làm cho sản phẩm chín sử dụng được Trong SXTP có thể kết hợp bảo quản và hoàn thiện như gia nhiệt đồ hộp thịt cá…

I.2.5 Mục đích bảo quản của quá trình đun nóng:

Khi đun nóng => mất hoạt tính của các enzym trong nguyên liệu, làm cho VSV bị tiêu diệt => chất lượng sản phẩm được bảo quản lâu dài

Do đó trong SXTP thường đun nóng sản phẩm ở nhiệt độ và thời gian nhất định nhằm tiêu diệt VSV, ngăn ngừa hư hỏng sản phẩm Đó là quá trình thanh trùng nhiệt

I.3 Những biến đổi khi đun nóng

I.3.1 Biến đổi vật lý

a) Biến đổi nhiệt độ

- Khi đun nóng, nhiệt độ của vật

liệu sẽ tăng lên nhằm cân bằng với

nhiệt độ của môi trường đun nóng

Tốc độ tăng nhiệt ở từng thời

điểm khác nhau trong VL sẽ khác

nhau Điểm nào càng xa vật liệu

=> tốc độ tăng nhiệt càng chậm

t0 t3 t2 t1

- Những điểm có cùng khoảng cách đến nguồn nhiệt thì nhiệt độ sẽ bằng nhau Do vậy trong vật liệu sẽ hình thành trường nhiệt độ.

- Điểm tăng nhiệt độ chậm nhất của vật liệu trong quá trình đun nóng có thể là trung tâm vật lý của vật liệu nếu vật liệu đó là chất rắn và đồng nhất

- Điểm tăng nhiệt độ chậm nhất của vật liệu lỏng nằm trên trục của hộp trụ cách đáy 1/3 chiều cao của hộp

+ Ý nghĩa của việc xác định điểm tăng nhiệt độ chậm nhất: xây dựng chế độ gia nhiệt thích hợp nhằm đạt tới mục đích

ta cần mà không làm ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng khác

VD: Phải xác định thời gian cần thiết để tiêu diệt VSV trong 1 vật liệu cụ thể:

Nếu không biết điểm tăng nhiệt độ chậm nhất => đun nhanh quá thì VSV chưa bị tiêu diệt tại điểm này hoặc đun

b) Biến đổi khối lượng

Khối lượng của vật liệu khi bị đun nóng bị biến đổi theo công thức: m = mo + α.t + ybh + ηht

-m : k/lượng trong và sau khi đun nóng

- mo : k/lượng vật liệu trước khi đun nóng

-α : hệ số biến đổi khối lượng

-t: nhiệt độ đun nóng

-ηht: khối lượng bốc hơi

-Ybh : khối lượng hòa tan vào môi trường

- ΔVkk : chênh lệch thể tích của không khí có trong VL

V của VL tăng khi trong vật liệu đó có chứa những chất có khả năng hút nước và trương nở khi đun nóng VD như tinh bột…

d) Biến đổi màu sắc

Khi đun nóng màu sắc của vật liệu có thay đổi, nguyên nhân thay đổi màu sắc trong sản phẩm thực phẩm nói chung là do nguyên nhân về hoá học, hoá lý hay vật lý

=> Nguyên nhân vật lý : là do sự thay đổi về cấu trúc vật

lý của vật liệu khi đun nóng từ đó dẫn tới thay đổi khả năng phản xạ, hấp thụ ánh sáng, làm cho cảm nhận về ánh sáng bị thay đổi

=> Nguyên nhân hoá học : do yếu tố hoá học làm thay đổi thành phần hoá học của VL tạo ra các nhóm có màu

I.3.2 Biến đổi hóa lý

Dưới tác dụng của nhiệt độ đun nóng cũng dẫn tới thay đổi một số chỉ tiêu hoá lý VD độ nhớt của vật liệu,

độ hoà tan…

a) Biến đổi về độ nhớt

Độ nhớt của vật liệu khi đun nóng thì phụ thuộc vào nhiệt độ đun nóng, nhiệt độ càng cao thì thông thường càng giảm, nhưng sau khi đun nóng thì độ nhớt của vật liệu có thể giảm hoặc tăng tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu đó

- Độ nhớt có thể tăng khi trong vật liệu trước khi đun nóng có chứa các chất có thể phân giải thành các chất keo, dưới tác dụng của nhiệt độ cao của quá trình đun nóng, những chất keo đó làm cho độ nhớt tăng lên sau khi đun nóng.

VD: khi đun nóng nước quả đục do trong phần thịt quả

có chứa propectin, dưới tác dụng của nhiệt độ cao phân huỷ thành pectin làm tăng độ nhớt

- Ngược lại độ nhớt giảm khi trong vật liệu trước khi đun nóng đã chứa tối đa các chất keo tạo độ nhớt Trong nhiệt

độ cao những chất keo này sẽ bị phân giải dẫn tới giảm

độ nhớt

VD : khi đun nước quả trong, các chất tạo độ nhớt như pectin bị phá huỷ thành các galacturonic nên độ nhớt giảm

- Ban đầu độ nhớt tăng rồi lại giảm : đó là trường hợp khi đun nóng hỗn hợp tinh bột và nước, độ nhớt của vật liệu tăng từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ hồ hoá của tinh bột,

độ nhớt đạt cực đại khi hỗn hợp tinh bột đã hồ hoá hoàn toàn Sau khi đã hồ hoá hoàn toàn nếu ta tiếp tục đun nóng thì độ nhớt sễ giảm dần

I.3.3 Biến đổi hóa học

Thông thường ở nhiệt độ bình thường các thành phần hoá học trong thực phẩm rất ít phản ứng với nhau, nhưng khi đun nóng thì vẩn tốc phản ứng hoá học tăng và có thể dẫn tới sự thay đổi có thể nhìn thấy được

VD Đường: khi đun nóng đường có thể tham gia vào các phản ứng caramel hoá, phản ứng melanoid… ở nhiệt độ

đủ cao đường sẽ biến thành các chất trung gian như :

-Vị ngọt của đường => đắng

-Màu của đường => đen

I.3.4 Biến đổi sinh học

Quá trình đun nóng có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi hoạt độ của các enzym và sự hoạt động của các vi sinh vật Ta biết rằng enzym và VSV có khoảng nhiệt độ hoạt động tối thích VD enzym amylaza hoạt động mạnh

ở nhiệt độ 60 - 70°C; VSV hoạt động mạnh ở 37 - 40°C Nếu tăng dần nhiệt độ môi trường tối thích thì hoạt động của enzym và VSV sẽ giảm dần đến bị vô hoạt hóa hoàn toàn ở nhiệt độ đủ cao

I.3.5 Biến đổi cấu trúc tế bào

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, chất nguyên sinh trong tế bào bị đông tụ, màng tế bào bị phá hủy làm mất tính thẩm thấu, không khí và hơi nước trong các gian bào thoát ra ngoài làm cho cấu trúc toàn khối trở nên chặt, mềm

I.3.6 Biến đổi cấu trúc cảm quan

-Thay đổi màu sắc: Đun nóng làm cho màu sắc tốt lên

hoặc giữ được màu tự nhiên ban đầu (VD chần rau quả), cũng có thể làm thay đổi màu tự nhiên của sản phẩm (VD như tạo màu hồng trong nước cam chanh khi đun nóng, tạo màu nâu, sẫm trong các loại SP bột cà chua, bột ớt…

-Thay đổi mùi vị: đun nóng làm mất các mùi chứa trong

sản phẩm như mùi tanh trong cá, thịt; vị đắng trong 1 số loại quả…

I.4 Phương pháp thực hiện

Phương pháp trực tiếp và gián tiếp

+ Trực tiếp: là khi cho chất tải nhiệt tiếp xúc với sản phẩm Chất tải nhiệt có thể là hơi nước, hơi khí nóng, dòng điện

-Ưu điểm: nhanh, đồng đều, không bị tăng nhiệt cục bộ

-Nhược điểm: chất tải nhiệt bị ngưng tụ làm loãng hoặc

hòa tan sản phẩm gây ảnh hưởng đến mùi vị sản phẩm

+ Gián tiếp: Truyền nhiệt vào sản phẩm qua vách ngăn, chất tải nhiệt có thể là hơi nước nóng, nước nóng, khí nóng, điện…

-Ưu điểm: mùi vị của sản phẩm không bị ảnh hưởng của

chất tải nhiệt, không bị pha loãng, không bị hòa tan

-Nhược điểm: nhiệt độ tăng cục bộ ở những nơi tiếp xúc

với bề mặt truyền nhiệt, do đó hay xảy ra cháy nổ, tốn nhiều nhiệt lượng hơn PP trực tiếp

I.5 Các thiết bị đun nóng

*Phân loại: các thiết bị đun nóng có thể phân loại theo

các cách sau:

1 Theo chế độ làm việc:

- Thiết bị làm việc gián đoạn

- Thiết bị làm việc liên tục

2 Theo phương thức đun nóng

- Thiết bị đun nóng gián tiếp

- Thiết bị đun nóng trực tiếp

3 Theo áp suất làm việc:

- Thiết bị làm việc ở áp suất thường

- Thiết bị làm việc ở áp suất chân không

4 Theo cấu tạo thiết bị:

- Thiết bị truyền nhiệt hai vỏ

- Thiết bị dạng khung bản, dạng ống chùm, ống bọc ống

- Thiết bị kiểu thùng quay, kiểu băng tải, kiểu trục

xoắn

I.5.1 Đun nóng bằng hơi trực tiếp

Dùng ống có đầu hở sục trực tiếp vào thùng chứa chất lỏng cần đun nóng

Khi cần thiết khuấy trộn cùng với đun nóng người ta dùng ống dẫn hơi loại sủi bọt, ống này gồm nhiều ống thẳng đặt song song với nhau ở đáy thiết bị, hoặc là hình xoắn ốc hình vòng tròn, trên bề mặt ống đục nhiều lỗ nhỏ

loại sủi bọt1.Thùng chứa, 2.ống sủi bọt

I.5.2 Đun nóng bằng hơi gián tiếp

Khi đun nóng bằng thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thì cần phải tháo nước ngưng ra liên tục để thiết bị làm việc bình thường Để tháo nước ngưng ta phải dùng phao tháo nước ngưng nhằm tránh cho hơi nóng theo nước ngưng thoát ra ngoài Thiết bị tháo nước ngưng có thể làm việc gián đoạn hay liên tục Nó có hai loại, loại phao kín và phao hở

a) Thiết bị tháo nước ngưng loại phao kín

3

2 1

6 cửa tháo nước

ngưng; 7 tay quay,

8 van xả khí không

ngưng

Hỗn hợp nước ngưng và hơi đốt theo ống dẫn vào thiết bị tháo nước ngưng Nước ngưng được tụ tập đến một mức nào đó thì phao 3 nổi lên làm van 5 mở ra (cấu tạo của phao gắn với đòn bẩy 4, một đầu đòn bẩy gắn với van 5) Tấm chắn 2 có tác dụng ngăn ngừa va đập thủy lực giữa nước ngưng và phao Tay quay 7 khi bị đẩy theo chiều mũi tên có tác dụng nâng đòn bẩy 4 lên cao do đó van 5 cũng được mở ra để tháo tất cả nước ngưng và cặn bẩn cùng với hơi còn lại trong tbị Loại này dùng trương trường hợp áp suất hơi trong thiết bị lớn hơn 10at.

b) Thiết bị tháo nước ngưng loại phao hở

1 2 3 4

7 6

Hỗn hợp nước ngưng và hơi đốt theo ống dẫn vào thiết bị tháo nước ngưng Do cán phao 3 một đầu gắn với đáy phao còn một đầu gắn với van 5 nên khi trong thiết

bị chứa một lượng nước ngưng nhất định thì phao 2 nổi lên, van 5 đóng lại Nước ngưng tiếp tục vào thiết bị rồi dần tràn vào phao Khi trong phao chứa một lượng nước nhất định thì phao chìm xuống, van 5 mở ra do chênh lệch áp suất giứa hơi đốt và khí quyển bên ngoài, nước ngưng tụ theo ống dẫn 4 ra ngoài

Khi đó lượng nước ngưng trong phao giảm dần mà nước ngưng trong thiết bị trao đổi nhiệt vẫn cứ tiếp tục chảy vào nên phao lại được nâng lên và đóng van 5 lại Trong thời gian làm việc ống 4 luôn nhúng chìm trong nước nên hơi không thể thoát ra khỏi cốc.

c) Sơ đồ thiết bị tháo nước ngưng

1.thiết bị trao đổi nhiệt

2.thiết bị tháo nước ngưng

3.van

4.đoạn ống phụ

* Các loại thiết bị đun nóng bằng hơi gián tiếp

Dựa vào cấu tạo bề mặt truyền nhiệt người ta chia ra các loại sau: loại hai vỏ, loại ống, loại tấm, loại xoắn ốc, loại có gân

1 2

3

4

+ Loại 2 vỏ

Nguyên tắc cấu tạo chung của

thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ:

Gồm có vỏ trong và vỏ ngoài

lắp ghép với nhau tạo thành

một không gian giữa hai vỏ và

Trong mỗi không gian như vậy có một chất tải nhiệt Qúa trình trao đổi nhiệt được thực hiện qua bề mặt của

vỏ trong bị bao bởi vỏ ngoài

Để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt, ta lắp thêm cánh khuấy cho dung dịch trong vỏ thiết bị Quá trình làm việc của thiết bị hai vỏ có thể liên tục và gián đoạn

+ Loại ống xoắn ruột gà: Đây là loại thiết bị ứng dụng

sớm nhất trong công nghiệp, có cấu tạo đơn giản, gồm các ống uốn theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà Khi làm việc một chất tải đi trong ống, còn một chất tải nhiệt khác đi ngoài ống

- Loại nằm ngang:

7

Khi đun nóng bằng hơi bão hòa, nếu chiều dài ống xoắn quá lớn thì phần cuối sẽ chứa đầy nước ngưng làm giảm hệ số truyền nhiệt và khó tháo nước ngưng Vì vậy, khi yêu cầu bề mặt truyền nhiệt lớn, ta phải bố trí thành nhiều ống xoắn làm việc song song xếp nối tiếp nhau hoặc thành những vòng tròn đồng tâm.

Đối với ống xoắn : D>8d

D – Đường kính vòng xoắn, m

d – đường kính ống xoắn, m

+ Loại ống xoắn gấp khúc : (gồm nhiều đoạn ống)

Chất tải nhiệt II đi trong ống

trong từ dưới lên còn chất tải

nhiệt I đi trong ống ngoài từ trên

xuống

Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn

vì ta có thể tạo ra vận tốc cho 2

chất tải nhiệt, cấu tạo đơn giản

Nhược điểm: cồng kềnh, giá

4 2

Loại thiết bị truyền nhiệt này được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất Chất tải nhiệt I đi vào đáy dưới qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II đi từ cửa trên của vỏ vào khoang trống giữa ống và vỏ rồi đi ra phía dưới Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn.