Bài giảng vật lý thực phẩm chương 4 nguyễn tiến cường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VẬT LÝ THỰC PHẨM Chương 4: Tính chất nhiệt, điện 4.1 Tính chất nhiệt Chế biến bảo quản nông sản thực phẩm – Gia nhiệt – Làm lạnh – Kết hợp      Phơi/sấy hạt để bảo quản Sấy/Chiên mỳ Làm lạnh nhanh/đơng lạnh rau Chần, đóng hộp thanh/tiệt trùng rau/thịt Sấy/bay nước tạo sản phẩm dạng bột (gia vị, sữa…)  Các q trình làm chín, làm lạnh, nướng, đông lạnh, bay hơi… liên quan đến truyền nhiệt Thiết kế trình địi hỏi kiến thức liên quan đến tính chất nhiệt vật liệu  4.1 Tính chất nhiệt 4.1 Tính chất nhiệt Trao đổi nhiệt tồn 03 hình thức:  Dẫn nhiệt (Conduction): truyền động nguyên tử hay phân tử lân cận mà không kèm theo trao đổi phần tử vật chất (từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn)  Đối lưu (Convection): thực nhờ chuyển động chất lỏng hay chất khí vùng có nhiệt độ khác  Bức xạ (Radiation): trao đổi nhiệt thơng qua sóng điện từ Trong CNTP coi:  Dẫn nhiệt diễn thực phẩm  Đối lưu cưỡng thực phẩm môi trường (lỏng) xung quanh Một số khái niệm tính chất nhiệt thực phẩm  Nhiệt dung riêng (Specific heat)  Độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity)  Enthalpy Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng chất nhiệt lượng cần phải cung cấp cho đơn vị đo lường chất để nhiệt độ tăng lên độ Đơn vị: – – – 𝐾𝐽 𝐾𝑔°𝐾 𝐵𝑇𝑈 (SI) (Hệ Anh) lb°𝐹 𝐶𝑎𝑙 𝑔°𝐾 𝐾𝐽 𝐾𝑔°𝐾 (Calo) = 0.239 𝐵𝑇𝑈 lb°𝐹 = 𝐶𝑎𝑙 0.239 𝑔°𝐾 Nhiệt dung riêng Khi biết nhiệt dung riêng vật liệu, ta tính nhiệt lượng (Q) cần thiết để tăng nhiệt độ vật liệu từ T1 đến T2 theo công thức: Q = M Cp (T2-T1) Trong đó: Q = nhiệt lượng cần thiết Cp = nhiệt dung riêng đẳng áp M = khối lượng nguyên liệu Nước thành phần hầu hết sản phẩm thực phẩm: Cp nước = 4.18 = Cp chất béo = ½ Cp nước Cp hạt, bột ngũ cốc = ¼ - 1/3 Cp nước Cp đá (băng) = ½ Cp nước (do đó, cần nhiệt để tăng nhiệt độ sản phẩm đông lạnh) Nhiệt dung riêng = f(T) Nhiệt dung riêng Phương trình tính tốn Cp dựa hàm ẩm (M, %) • Cp = 0.837 + 3.348 M nhiệt độ lạnh đơng • Cp = 0.837 + 1.256 M nhiệt độ lạnh đơng Phương trình tính tốn Cp dựa thành phần TP • Ví dụ 1: Tính nhiệt dung riêng khoai lang 20°C với thành phần hóa học sau Thành phần % khối lượng Nước 70 Protein 1.5 Glucid 25 Xơ 2.3 Chất béo 0.5 Tro 0.7  Cp = 3477 J/kg°C Độ dẫn nhiệt (k) – dự đốn • Mơ hình vng góc Độ dẫn nhiệt (k) – dự đốn • Mơ hình Krischer where εa is the volume fraction of air in the food • Ví dụ 3: Thành phần chà (Phoenix dactylifera) nêu Bảng Xác định độ dẫn nhiệt 25C, sử dụng mơ hình song song vng góc k//= 0.353 W/m°K kvg= 0.287 W/m°K Enthalpy (h) Đơn vị: (kJ/kg BTU/lb)  Nhiệt lượng hệ  Thường sử dụng để đánh giá nhiệt lượng khơng khí ẩm ΔQ = M(h2-h1) Trong đó: ΔQ = lượng nhiệt cần thiết để đưa hệ từ T1 lên T2 M = khối lượng sản phẩm h2= enthalpy T1 h1 = enthalpy T2 Nhu cầu lượng hàng ngày Dinh dưỡng: Kcal/kg/h Vật lý TP: ??? 70 W 100 KJ/ngày/kg Giá trị lượng thực phẩm  Về bản, thực phẩm có nhóm chất sinh lượng: gluxit, lipid, protein alcohol  Năng lượng TP = nhiệt sinh trình đốt cháy (oxy hóa) TP  Hệ số sinh nhiệt vật lý ≠ Hệ số sinh nhiệt sinh lý • Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetry): Phép đo biến đổi khối lượng mẫu theo biến thiên nhiệt độ Phép đo cung cấp thông tin tượng vật lý, chuyển pha, hấp thụ, hấp phụ giải hấp; tượng hóa học bao gồm hóa hấp phụ, phân hủy nhiệt phản ứng khí rắn (phản ứng cháy) – Động học q trình sấy 4.2 Tính chất điện Độ dẫn điện 𝑙 𝑙 𝑅=𝜌 = 𝐴 𝜅𝐴 4.2 Tính chất điện Độ dẫn điện • Phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ 𝜅 = 𝜅0 (1 + 𝑏0 ∙ Δ𝑇) • Phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái, thành phần thực phẩm đặc biệt hàm lượng muối nước thực phẩm • Ứng dụng: gia nhiệt, trùng tiệt trùng, bảo quản… Ví dụ tính cân lượng • 1520 kg/h nước cấp vào nồi cô đặc 25°C, áp suất cô đặc 0,75 atm; nước sau cô đặc lấy với lưu lượng 450 kg/h Nhiệt lượng dùng cho trình cung cấp bão hịa áp suất 1,2 atm Hơi cấp khơng tiếp xúc với dịch diễn trình trao đổi nhiệt Tính lượng bão hịa cần dùng giờ? 29 30 Energy Balance 31 32 Energy Balance 33 Energy Balance Feed + Steam = Product + Vapor + Condensate Juice: 1520 kg/h = 450 kg/h + V kg/h Energy: 159220 + 2684*S = 171000 + 2663*V + 439*S (kJ/h) These can be solved as follows: Equation 1: V = 1520 - 450 = 1070 (kg/h) of vapor Equation 2: S = (2663x1070 + 170198 - 159220)/(2684-439) =1274 (kg/h) steam HF = mCpΔT = (1520 kg/h) (4.190 kJ/kg°C) (25 - 0°C) = 159,220 (kJ/h) 34