Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm: Phần 1 - NXB Đà Nẵng

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

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 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

PHẦN I NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG

1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

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:

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:

Sản phẩm Vật liệu

Biến đổi vật liệu Phương pháp sản xuất Phương tiện sản xuất Tổ chức

+ 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

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

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:

- 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)

- 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

Hoàn thiện Các quá trình vật lý

Phân loại các quá trình

theo qui luật khoa học tự

Hoàn thiện Các quá trình hóa sinh và

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 thủy phân

- Quá trình thay đổi màu

1.3.5 Các quá trình sinh học và hóa sinh

- Quá trình chín sau thu hoạch

- Quá trình lên men

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 : Bôt mì Mì sợi

Gia công : Nhào bột, cán bột nhào, cắt sợi, hấp

Chế biến : Thóc Gạo Gia công : làm sạch, phân loại, bóc vỏ, xát trắng

Như vậy chế biến gồm nhiều giai đoạn gia công, có thể mô tả như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ chế biến

- 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

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

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

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

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

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

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

Thứ nguyên

Chiều dài Khối

lượng Thời gian

Gam (g)

Giây (s)

Kilogam (kg)

Giây (s)

o

C Kilogam

lực (kG)

Kilocalorie (kcal)

Hệ quốc

tế (SI)

Khoa học, kỹ thuật và

đời sống

Mét (m)

Kilogam (kg)

Giây (s)

o

F Newton

(N)

Joule (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

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

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 bày bằng đơn vị Chẳng hạn, (5m)2

(10kg)(5K) =

K kg J

= 250J

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

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?

J

=

Btu

X 4,185 g.K Lb.0F

CÂU HỎI ÔN TẬP

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?

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

C: 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

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

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 T2có 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

F – là diện tích bề mặt của vật liệu, m2

T1, T2 – là nhiệt độ ở trên 2 phía bề mặt của vật liệu, o

C

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 ( 0

0,17 0,56

-10 3,8 -10

20 0-15 -8

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

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

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)

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:

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,…)

Xét một quá trình công nghệ chế biến thực phẩm

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

bột nhào đã nướng (D)bột nhào ẩm

(W)

Gọi M – khối lượng thịt bò, kg

F – khối lượng mỡ bò, kg

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

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

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát, đối với nhiệt năng như sau:

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

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

Thịt bò (M): 68% lipid,

12% nước và 18%

Mỡ bò (F): 78% lipid, 12% nước và 5% protein

Máy băm, nhồi Xúc xích (S): 25Kg, 30% lipid

+ 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 4o

C

Có thể xác định khối lượng riêng và tỷ trọng bằng Brix kế (đơn vị đo là o

Bx),

Beaume kế (đơn vị đo là o

Be) Quan hệ giữa oBe và tỷ trọng (d) theo công thức:

- Trong trường hợp tỷ trọng d > 1, ta có quan hệ:

145 145

o

Be d

- 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

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

duF

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 = P F ms = µ dy du (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

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 200

C, 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:

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

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

p

V V

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

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, o

C Với nhiệt độ 10 – 20oC, áp suất 105 Pa, có thể lấy gần đúng: βn≈ 0,0001 (o

C)-1Khả 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

được gọi là áp lực thủy tĩnh lên diện tích ∆S

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

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

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:

γ+

=γ

0

pz

Ở đây: p =hp

γ - chiều cao áp suất hay chiều cao pezômét ứng với áp suất

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

- 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

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 )

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

1 2

h h

ρ

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 gọi là áp suất dư

- Trường hợp pt < pa thì ta có pa – pt = pck Và pckgọi 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

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 pađã 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

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

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

V f

Chất lỏng giọt trong ống dẫn <3 m/s

Chất lỏng giọt trong ống đẩy 1,5 đến 3 m/s

Hơi nước quá nhiệt 30 đến 50 m/s

+ Chuyển động ổn định là chuyển động mà các yếu tố đặc trưng cho dòng chảy chỉ phụ thuộc vào vị trí mà không phụ thuộc vào thời gian

+ Chuyển động không ổn định là chuyển động mà các yếu tố đặc trưng cho dòng chảy phụ thuộc vào vị trí và phụ thuộc vào thời gian

Trong phạm vi chương trình chúng ta chỉ nghiên cứu chuyển động ổn định của chất lỏng

- Các trạng thái chảy của chất lỏng

Trong tự nhiên tồn tại hai trạng thái chảy của chất lỏng:

+Trạng thái chảy mà trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động theo những tầng lớp không xáo trộn vào nhau gọi là trạng thái chảy tầng (dòng)

+Trạng thái chảy mà trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động vô trật

tự, hỗn loạn gọi là chảy rối (xoáy )

Chuyển tiếp giữa chảy rối và chảy tầng và ngược lại là trạng thái chảy quá độ

Để xác định trạng thái chảy của dòng, người ta thường dùng đại lượng Reynolds (Re) là một số, không thứ nguyên

ν

ω

=µ

ρω

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:

= uot tl

f

Với: fướt - 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

Hay : V1ρ1 = V2ρ2 = const (2.32)

ω1f1ρ1= ω2f2ρ2 = const (2.33)

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:

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 :

g

pzg

pz

2 2 2 2

2 1 1 1

ω+γ+

=

ω+γ

Vì hai mặt cắt tùy ý chọn nên có thể viết phương trình Bernoulli dưới dạng tổng quát như sau :

constg

2

pz

2

=

ω+γ

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

pz

2

ω+γ+ trong phương trình Bernoulli biểu thị năng 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

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 :

m

2 2 2 2

2 1 1

g

pzg

p

γ+

=

ω+γ

ω+γ

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 + hcbTrong đó:

gh

2 ms ms

ωξ

= ;

g2h

2 cb cb

ωξΣ

= (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

gd

lgg

ph

2 2

ms ms

ωλ

=

ωξ

=ρ

∆

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

λ phụ thuộc vào Re và độ nhám tương đối (n) của ống dẫn

2 cb cb

ωξΣ

Trong đó, ξcblà 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

+ Giảm trở lực cục bộ như sử dụng các van, khóa, khuỷu đúng chỗ

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

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 :

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:

0 h

h 1

d

Reρ

Gọi ω là vận tốc làm việc của dòng khí thì tỉ số giữa ω và ω1 gọi là số tầng sôi

- 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]

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:

0

0 h

0

3

)(

gd4ξρ

ρ

−ρ

Để đơn giản, khi tính ω0 người ta dùng phương pháp Liasenco như sau:

*Trước tiên tính chuẩn số Archimède (Ar)

Ar = 2

0

0 0 3

)(

µ

ρρ

Từ giá trị của Re ta xác định ω0

*Xác định ω0 theo phương trình :

0 h

0 0

d

Reρ

µϕ

G 24 , 1 d

ρ

G - khối lượng của hạt, kg

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

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)

η

ρ

=1000

g H.Q

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

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:

g H Q

- 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 :

- 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;