Tiểu luận môn các quá trình cơ bản trong công nghệ thực phẩm quá trình cô đặc và keo tụ do thầy Nguyễn Đắc Trường hướng dẫn iuh trường đại học công nghiệp Hồ Chí Minh tọa lạc tại đường Nguyễn Văn Bảo Viện sinh học và thực phẩm
Trang 1
Nhóm 7
A) Khái quát quá trình cô đặc
1) Bản chất yêu cầu và mục đích quá trình cô đặc:
Khái niệm quá trình cô đặc
- Cô đặc là làm bốc hơi nước của sản phẩm bằng cách đun sôi
- Quá trình cô đặc được sử dụng nhiều trong công nghiệp đồ hộp đẻ sản xuất cà chua cô đặc, mứt, nước quả cô đặc, các loại súp khô, sữa đặc
Bản chất quá trình cô đặc:
- Cô đặc bằng nhiệt là quá trình làm bay hơi nước trong thực phẩm dưới tác dụng của nhiệt nhằm mục đích làm tăng nồng
độ chất khô của thực phẩm Cần phân biệt sự khác nhau giữa hai quá trình cô đặc và sấy Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt, nguyên liệu đầu vào luôn có dạng lỏng như nước trái cây, sữa Nồng độ chất khô của nguyên liệu thường dao động trong khoảng 10-35% Sau quá trình cô đặc, sản phẩm thu được cũng có dạng lỏng và nồng độ chất khô có thể lên đến 80%
- Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để tách nước ra khỏi thực phẩm lỏng như thẩm thấu ngược – sử dụng
membrane, cô đặc lạnh đông, cô đặc bằng nhiệt Trong đó phương pháp cô đặc bằng nhiệt tốn nhiều chi phí năng lượng Tuy nhiên ưu điểm vượt trội của phương pháp cô đặc có thể tang lên rất cao so với các phương pháp tách nước khác Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt người ta sử dụng hơi nước bão hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cô đặc đến điểm sôi Khi đó nước từ trạng thái lỏng sẽ chuyển sang trạng thái hơi
và thoát ra môi trường xung quanh Tốc độ bốc hơi nước phụ thuộc vào tốc độ truyền khối của bọt hơi
Mục đích quá trình cô đặc:
- Làm tăng nồng độ chất hòa tan trong dung dịch
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn ( kết tinh)
- Tách dung môi ở dạng nguyên chất ( nước cất)
Chuẩn bị:
- Quá trình cô đặc bằng nhiệt có thể có mục đích công nghệ là chuẩn bị, giúp cho các quá trình tiếp theo trong quy trình được sản xuất được thực hiện dễ dàng và đạt hiệu quả tinh tế cao hơn
- Ví dụ như trong công nghệ sản xuất trà hòa tan, dịch trích thu được từ nguyên liệu trà có nồng độ chất khô dao đông
Trang 2trong khoảng 2,5-5.0% Người ta sẽ cô đặc bốc hơi dịch trích đến nồng độ chất khô 25-50% Như vậy quá trình cô đặc dích trích có mục đích chuẩn bị cho quá trình sấy phun để nó diễn
ra dễ dàng hơn, đồng thơi tiết kiệm chi phí năng lượng trong toàn bộ quy trinh sản xuất
Khai thác:
- Quá trình cô đặc nhiệt sẽ tách bớt nước ra khỏi thực phẩm
Do đó thực phẩm sẽ trở nên nhẹ hơn và nồng độ các chất dinh dưỡng sẽ tang
Bảo quản:
- Quá trình cô đặc bằng nhiệt làm giảm lượng nước và tăng hàm lượng chất khô trong sản phẩm Do đó hoạt độ nước trong sản phẩm sau khi cô đặc sẽ giảm đi Đây là một yếu tố quan
trọng gây ức chế vi sinh vật trong sản phẩm và góp phần kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm
2.Các yếu tố kĩ thuật quá trình cô đặc:
- Quá trình cô đặc thực phẩm có ba thông số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời gian sản phẩm lưu lại trong thiết bị, cường độ bốc hơi
- Nhiệt độ sôi:
+ Khi tiến hành một quá trình cô đặc sản phẩm, người ta đun nóng khối sản phẩm tới nhiệt độ sôi Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ chất khô đã đến nồng
độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho sản phẩm
ra khỏi thiết bị
+ Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc vào áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ chất khô và tính chất vật lí, hóa học của sản phẩm
+ Khi áp suất hơi trên bề mặt sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi sản phẩm càng thấp Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm
+ Khi nồng độ chất khô trong sản phẩm càng lớn thì
nhiệt độ sôi càng cao Trong quá trình cô đặc nồng độ chất khô tăng dần nên nhiệt độ sôi của sản phẩm cũng tăng dần
- Thời gian sản phẩm lưu lại trong thiết bị:
+ Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu
+ Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi của sản phẩm Các thiết
bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra ra lien tục và sản
Trang 3phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn
- Cường độ bốc hơi:
+ Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi Cường
độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường
độ bốc hơi càng cao
B) Các biến đổi của thực phẩm trong quá trình cô đặc:
Vật lý: Trong quá trình cô đặc, nhiều biến đổi vật lý xảy ra trong nguyên liệu như hàm lượng chất khô tăng, độ nhớt tăng, tỷ trọng tăng… Tuy nhiên, khối lượng và thể tích nguyên liệu giảm đi, hoạt độ của nước trong nguyên liệu cũng giảm Cần lưu ý là khi nồng độ chất khô của nguyên liệu tăng lên theo thời gian cô đặc thì nhiệt độ sôi của nguyên liệu cũng tăng theo
Hóa học: Dưới tác dụng của nhiệt trong quá trình cô đặc, các thành phần hóa học trong nguyên liệu có thể phản ứng với nhau hoặc bị phân hủy Ví dụ như trong quá trình cô đặc sữa, đường khử lactose và các acid amin có trong sữa sẽ phản ứng với nhau
để tạo thành các hợp chất melanoidine Phản ứng Mailard sẽ làm giảm giá trị dinh dưỡng của sữa, đồng thời làm cho sản phẩm bị sậm màu
Hóa lý: Biến đổi hóa lý quan trọng trong quá trình cô đặc bằng nhiệt là sự chuyển pha của nước Nước tồn tại ở trạng thái lỏng trong nguyên liệu trước khi cô đặc sẽ chuyển sang trạng thái hơi
và thoát ra môi trường bên ngoài Trong quá trình cô đặc, có thể xảy ra sự đông tụ protein trong nguyên liệu nếu nhiệt độ cô đặc cao và đủ làm biến tính bất thuận nghịch protein Để hạn chế hiện tượng này, các nhà sản xuất cần tìm hiểu kỹ về thành phần hóa học của nguyên liệu và chọn nhiệt độ cô đặc phù hợp
Hóa sinh và sinh học : Khi cô đặc ở áp suất thường, do nhiệt độ
cô đặc cao (không thấp hơn 100℃) nên các enzyme trong
nguyên liệu bị vô hoạt, nhiều vi sinh vật bị ức chế Các biến đổi hóa sinh và sinh học gần như không xảy ra Khi cô đặc ở áp suất chân không, do nhiệt độ cô đặc thấp nên một số enzyme và vi sinh vật chịu nhiệt có thể hoạt động được Cần lưu ý là các bào tử
có thể hoạt hóa ở nhiệt độc 70℃
1) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc:
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt:
+ Sự chênh lệch nhiệt độc của hơi bão hòa (tác nhân gia nhiệt)
và nhiệt độ sôi của nguyên liệu
+ Nếu sự chênh lệch giữa nhiệt độ của hơi bão hòa và nhiệt
độ sôi của nguyên liệu càng lớn thì tốc độ truyền nhiệt sẽ càng
Trang 4lớn Để tăng sự chênh lệch nhiệt độ nói trên, các nhà sản xuất có thể sử dụng một trong hai phương pháp sau đây
+ Tăng nhiệt độ và áp suất hơi bão hòa: phương pháp này có nhược điểm là
nếu nhiệt độ của hơi bão hòa quá cao thì các cấu tử mẫn cảm nhiệt có trong
nguyên liệu cần cô đặc sẽ bị biến đổi và ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản
phẩm
+ Giảm nhiệt độ sôi của nguyên liệu bằng cách cô đặc trong môi trường chân
Không Khi đó, nhiệt độ sôi của nguyên liệu cần cô đặc sẽ phụ thuộc vào áp lực trên bề mặt dung dịch, nồng độ chất khô của nguyên liệu và chiều cao cột thủy tinh trong thiết bị cô đặc + Trong công nghiệp thực phẩm, các nhà sản xuất thường chọn phương pháp cô đặc chân không, nhiệt độ sôi của nguyên liệu có thể giảm xuống xấp xỉ 40℃ Phương pháp này sẽ hạn chế tổn thất các cấu tử mẫn cảm với nhiệt có nguyên liệu cần
cô đặc
C) Phương pháp thực hiện quá trình cô đặc:
+ Cô đặc trong thiết bị hở
+ Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc thiết bị hở:
o Cách 1: (không bổ sung dung dịch) cho dung dịch vào nồi 1 lần rồi gia nhiệt cho nước bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần, nồng độ chất tan trong dung dịch tăng dần đến nồng độ yêu cầu
o Cách 2: (bổ sung dung dịch nguyên liệu theo chu kì) cho dung dịch vào ở một mức 1, rồi gia nhiệt cho nước bốc hơi, khi dung dịch cạn xuống mức 2, châm bổ sung dung dịch, đưa lượng dung dịch về mức 1 Chu trình lặp đi lặp lại nhiều lần, đến khi nồng độ dung dịch cô đặc đạt yêu cầu
o cách này thường dùng cô đặc các dung dịch có nồng độ chất tan thấp, tuy nhiên trong quá trình
cô đặc, nhiệt độ sôi tăng dần vì nồng độ dung dịch tăng dể ảnh hưởng đến màu sắc sản phẩm, cách này không áp dụng cho những chấy nhạy cảm với nhiệt
o Cách 3: (bổ sung dung dịch liên tục) mức dung dịch trong nồi cố định bằng cách bổ sung đều đều một lượng dung dịch bằng với lượng nước bốc hơi
Cô đặc nhiều nồi:
Trang 5o Mục đích tiết kiệm hơi: Nồi 1 đun bằng hơi đốt, các nồi sau lần lượt dùng hơi các nồi trước Hơi nước thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Nồng độ dung dịch tăng nồi 1 đến nồi cuối, tuy nhiên số nồi càng nhiều thì hiệu quả tiết kiệm hơi càng giảm Trong thực tế công nghệ thực phẩm thường dùng từ 2 đến 4 nồi, hơi và dung dịch đi cùng chiều từ nồi đầu đến nồi cuối Cô đặc liên tục: kết quả cô đặc tốt hơn cô đặc gián đoạn, các chỉ tiêu của thệ thống đều được điều chỉnh thự động Các phương pháp cô đặc khác: cô màng mỏng, cô ly tâm, cô chân không có trục quay nhiều tầng…
Cô đặc một nồi:
o Cô đặc một nồi gián đoạn thường làm theo 2
phương pháp sau:
Dung dịch cho vào 1 lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu
Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra và thực hiện mẻ mới
o cô đặc một nồi liên tục
Trang 6Hình ảnh cô đặc thiết bị liên tục Dung dịch từ thùng (1) đưa lên thùng (3), rồi chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị đun nóng (5), đun sôi dung dịch rồi cho vào thiết bị cô đặc (6) thực hiện quá trình bốc hơi, hơi thứ và khí không ngưng vào thiết bị ngưng tụ (9) từ dưới lên
Trong thiết bị ngưng tụ nước lạnh phun từ trên xuống tiếp xúc với hơi thứ , hơi thứ ngưng tụ thành lỏng cùng với nước lạnh chạy ra ống (11)
ra ngoài, khí ngưng qua thiết bị thu hồi bọt (10) bơm vào chân không ra ngoài Dung dịch sau
cô đặc được bơm vào (7) vận chuyển ra đáy thiết bị đi vào bồn chứa (8)
2) Thiết bị cô đặc.
a Phân loại
- Người ta tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo cách sau:
+ Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng nghiêng…
+ Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi nhiệt bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…), bằng dòng điện
+ Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn cưỡng bức,
Trang 7tuần hoàn tự nhiên…
+ Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống ngang…
+ Phòng đốt bề mặt truyền nhiệt
+ Phòng phân ly hơi: khoảng trống để tách hơi thứ ra khỏi dung dịch
+ Bộ phận tách bọt: dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo
- Các thiết bị cô đặc được chia làm 6 loại thuộc ba nhóm chủ yếu như sau:
+ Nhóm 1: Đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên):
Loại I: có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài
Loại II: có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc)
+ Nhóm 2: Đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng bức)
Loại III: có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài
Loại IV: có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài
+ Nhóm 3: Chảy thành màng mỏng
Loại V: màng DD chảy ngược lên; có thể có buồng đốt
trong hay ngoài
Loại VI: màng DD chảy xuôi; có thể có buồng đốt trong hay ngoài
3) Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm
Cấu tạo:
Trang 8
1.Phòng đốt
2 Ống truyền nhiệt
3 Ống tuần hoàn
4 Phòng bốc
5 Bộ phận thu hồi cấu tử
- Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các ống truyền nhiệt
và ống tuần hoàn tương đối lớn
- Dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống
Nguyên lí hoạt động:
- Đầu tiên dung dịch sẽ được cho vào các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn qua van, sau đó mở van hơi cho hơi vào Phải để dung dịch phủ kín toàn bộ các ống mới được mở van hơi Nhằm tránh hiện tượng cháy nổ
- Tại phòng đốt này, dung dịch trong các ống sẽ được truyền nhiệt từ hơi đốt ở bên ngoài Trong ống truyền nhiệt dung dich
sẽ sôi lên và trở thành hỗn hợp hơi-lỏng Hỗn hợp này nóng nên khối lượng riêng giảm và bị đẩy từ dưới lên miệng ống Còn trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn, dẫn đến khối lượng của hỗn hợp hơi-lỏng lớn hơn và sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên
từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn
Trang 9- Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi Ở đây, hơi thứ sẽ mang theo những cấu tử Vì thế, có bộ phận tách bọt nhằm thu hồi lại những cấu tử
- Trong quá trình truyền nhiệt, dung dịch được cô đặc sẽ thoát ra quacửa 2, nước ngưng tụ sẽ thoát ra qua cửa 4 Còn hơi thứ sau khi được loại cấu tử sẽ thoát ra qua cửa 5
- Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng giảm Tốc độ tuần hoàn thường không quá 1,5 m/s Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi trong
đó có bộ phận tách bọt dùng để tách các giọt lỏng do hơi thứ mang theo
o Ưu điểm: Thiết bị cô đăc có ống tuần hoàn ở
tâm có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dể sửa chữa
và làm sạch
o Nhược điểm: Vận tốc tuần hoàn chậm, và có thể
bị giảm do ống tuần hoàn bị nóng lên
4) Thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn ở tấm
alfaval:
Cấu tạo:
1 Buồng đốt dạng tấm alfalaval
2.Buồng bốc hơi
3.Bộ phận cân bằng để cân bằng áp suất 2 trạng thái pha tránh hiện tượng thuỷ kích trong buồng đốt và tách triệt để 2 trạng thái pha lỏng và hơi
4 Bình phân tách
Trang 10 Nguyên tắc hoạt động
- Ở bình cân bằng nguyên liệu tách ra 2 trạng thái pha lỏng - hơi Hơi đi lên trên tiếp tục được gia nhiệt và được đưa đến ống tuần hoàn, còn lượng lỏng hoàn toàn thì đi vào buồng đốt Chất lỏng đi từ dưới lên, hơi đi từ trên xuống hai trạng thái pha đối lưu ngược chiều nhau Khí không ngưng và nước ngưng tụ qua bình phân tách được cho ra khỏi buồng đốt theo 2 đường khác nhau Chất lỏng từ dưới lên trao đổi nhiệt với hơi rồi qua ống tuần hoàn đi vào buồng bốc cùng với hơi được tách ở bình cân bằng lúc đầu, cấu tử nặng đi xuống đáy buồng bốc.Còn hơi nhẹ thì đi trên Tại buồng bốc 2 trạng thái được tách triệt để 1 lần nữa Hơi đi ra tù buồng bốc là hơi thứ
đi làm hơi đốt cho hiệu sau hoặc đi gia nhiệt cho các thiết bị khác, còn sản phẩm đi ra sẽ làm nguyên liệu cho hiệu sau qua bình cân bằng
5) Ví dụ quá trình cô đặc:
Trang 11- Chuẩn bị nguyên liệu: Loại bỏ quả thối, cắt bỏ cuống, và những thành phần hỏng, vết đen, khuyết tật Cà chua to quả nên bổ nhỏ để dễ nghiền chà
- Luộc hấp: Nếu không có máy nghiền, cần luộc hoặc hấp ớt,
cà chua để quả mềm dễ tách vỏ và hạt Nếu có máy nghiền thì không cần làm chín nguyên liệu
- Xay chà tách vỏ hạt: Cà chua, ớt được xay nhuyễn, chà qua
rá tre, hoặc rây có kích thước lỗ nhỏ để thu được thịt quả nhuyễn, loại bỏ hạt, vỏ
- Phối trộn và cô đặc: Trộn đều phần thịt quả nhuyễn của cà chua, ớt, tỏi với đường và muối sau đó gia nhiệt hỗn hợp đến nhiệt độ sôi và giữ nhiệt trong khoảng 5-10 phút Các phụ gia khác lần lượt cho vào hỗn hợp Trong quá trình cô đặc phải khuấy liên tục để tránh bén nồi
- Rót chai: Khi hỗn hợp đạt được độ đặc mong muốn, nhanh chóng rót sản phẩm vào những dụng cụ chứa đựng sạch đã được thanh trùng trước, đậy nắp kín ngay khi sản phẩm còn nóng