Bài giảng vật lý THỰC PHẨM

Các đặc trưng vật lý của thực phẩm• Hình dạng – Hình học cơ bản: hình trụ, hình elip, hình cầu, ovan… – Hình dạng khác – Xác định sự khác nhau về hình dạng của các loại thực phẩm dựa vào

Trang 1

VẬT LÝ THỰC PHẨM

Giảng viên: Trần Thị Định

Bộ môn Công nghệ chế biến Khoa Công nghệ thực phẩm

Trang 2

 Chuyên đề 1: Các đặc trưng vật lý của thực

phẩm

CNTP

của vật liệu thực phẩm

Trang 3

 Figura L O và Teixeira A A (2007) Food physics: Physical

properties – measurements and applications USA

 Stroshine R & Hamanm D (1995) Physical properties of

agricultural materials and food products

 Fellows P (2000) Food processing technology 2nd ed CRC Press, New York, USA

Welti-Chanes J., Velez-Ruiz J.F., Barbosa-Canovas V.G (Editors)

 Welti-Chanes J., Velez-Ruiz J.F., Barbosa-Canovas V.G (Editors)

(2003) Transport phenomena in food processing 2nd ed CRC

Press, New York, USA

 Cengel Y A., Boles M A (2002) Thermodynamics: an engineering

approach 4th ed Mc Graw Hill, New York, USA

Trang 4

Chuyên đề 1: Các đặc trưng vật

lý của thực phẩm

 Các đặc trưng vật lý của thực phẩm

 Hệ đơn vị

Trang 7

1 Các đặc trưng vật lý của thực phẩm

• Hình dạng

– Hình học cơ bản: hình trụ, hình elip, hình cầu, ovan…

– Hình dạng khác

– Xác định sự khác nhau về hình dạng của các loại thực phẩm

dựa vào tính cầu

• Giả thiết là thể tích của các thực phẩm rắn xấp xỉ bằng thể tích của hình

elip được đặc trưng bởi đường kính lớn, trung gian, và nhỏ nhất

• Tính cầu là tỷ số của thể tích thực phẩm với thể tích hình cầu giới hạn

bởi đường kính lớn nhất của vật thể

1/3

1/3 1

Trang 8

Trang 9

2 Bài tập 2

Quả táo có đường kính lớn nhất, đường kính trung gian, và

đường kính nhỏ nhất lần lượt là 70.1 mm, 67.6 mm, 56.4 mm Anh /Chị hãy xác định tính cầu của quả táo

3 Bài tập 3

Củ khoai tây có đường kính lớn nhất, đường kính trung gian,

và đường kính nhỏ nhất lần lượt là 70 mm, 62 mm, 53 mm Anh /Chị hãy xác định tính cầu của củ khoai tây

Trang 10

• Ứng dụng của kích thước và hình dạng hạt thực phẩm

Trang 11

• Cân bình tỷ trọng theo trình tự như hình vẽ

• Chỉ sử dụng phương pháp này cho những chất rắn không tan trong chất

Trang 12

– Sử dụng bình tỷ trọng (pycnometer) và chất khí thay thế

• Gồm hai bình có thể tích như nhau (V1=V2) được nối với đường ống nhỏ

• Valve 1, 2, 3 dùng để khống chế không khí vào trong từng bình và môi

trường

• Vật liệu thực phẩm được đặt trong bình 2

• Valve 2, 3 đóng , mở valve 1 đến P1 (700-1000Pa) , khối lượng khí m

• Mở valve 2, cân bằng đạt được ở áp suất P3, khối lượng khí bình 1 là

m1, bình 2 là m2

• Giả thiết khí trong bình là khí lý tưởng

Trang 13

1 2

1 1 3 1 3 2

a a

– Sử dụng phương pháp cân cho vật thể lớn hơn (rau, quả)

• Cốc thủy tinh điền một phần với nước

• Cân cốc + nước (mbf)

• Vật thể được nhúng ngập trong nước (không chạm đáy) (mbfs)

• Lực đẩy = khối lượng của chất lỏng chiếm chỗ bởi chất rắn

Trang 14

• Diện tích bề mặt

– Sử dụng cách gọt vỏ với rau quả

– Sử dụng màng bao phủ (silicon với trứng, hạt to ), màng bột

kim loại với các loại hạt nhỏ– Xác định diện tích của lớp vỏ

Thể tích và diện tích bề mặt có thể ước lượng bằng

cách sử dụng loại hình khối tương tự hoặc kết hợp các loại hình khối (hình cầu + hình trụ)

Trang 15

• Bài tập ứng dụng

1 Bài tập 1

Hạt đậu nành có đường kính lớn nhất, đường kính trung gian, và đường kính nhỏ nhất lần lượt là 8.46 mm, 7.54 mm, 6.65 mm Khối lượng hạt đậu nành là 0.26 gram và khối lượng riêng là 1.22 g/cm3 Giả thiết rằng hạt đậu nành có thể tích tương tự như thể tích của hình khối có hình dạng tương tự Anh chị hãy tính thể tích của hạt

1 Các đặc trưng vật lý của thực phẩm

hình khối có hình dạng tương tự Anh chị hãy tính thể tích của hạt đậu nành Sai số về thể tích giữa phép tính hình khối và thể tích thực của nó là bao nhiêu? (8%)

Tiếp đến van 1 đóng và mở van 2 Cân bằng mới được thiết lập ở

áp suất 75 kPa Xác định thể tích của lạc (5.33 cm3)

Trang 16

3 Bài tập 3

Để xác định thời điểm thu hái thích hợp cho cà chua, sự biến thiên

về thể tích của quả theo thời gian được xác định nhờ phương pháp thay thế chất lỏng Cà chua ở các độ tuổi khác nhau được cân xác định khối lượng ban đầu trước khi cho vào dụng cụ đo chứa dung dịch toluen (d = 900 kg/m3) Dụng cụ đo có khối lượng 300 g Cân lại khối lượng của dụng cụ đo chứa toluen và cà chua Kết quả

Độ tuổi của cà chua Khối lượng cà chua ban đầu (g) Tổng khối lượng (dụng cụ

đo, toluen và cà chua

Trang 17

1.3 Khối lượng riêng

• Khối lượng riêng =khối lượng/thể tích

• Khối lượng riêng chất lỏng

– Với chất lỏng tỷ trọng thường được sử dụng

– Tỷ trọng là tỷ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng so với khối

lượng riêng của nước ở cùng nhiệt độ

• Khối lượng riêng chất rắn (solid density)

– Thể tích được xác định bằng cách đuổi hết khí có trong các lỗ

hổng của vật liệu rắn (không tính đến các khí có trong chất rắn)

• Khối lượng riêng hạt (particle density) :

– Thể tích được xác định bằng thể tích của các hạt (không tính

đến khe hở giữa các hạt)

• Khối lượng riêng tổng thể (bulk density)

– Thể tích được xác định bằng tổng thể tích của cả khối vật liệu

Trang 18

• Phương pháp xác định

– Xác định bằng bình tỷ trọng như mục 1.2

– Xác định bằng thước tỷ trọng kế (saccharometer, lactometer,

oleometer….)– Nếu thành phần của thực phẩm đã biết thì khối lượng riêng tính

theo công thức:

w 1

1 /

p n

i i

Trang 19

– Khối lượng riêng của một số thành phần thực phẩm (kg/m3)

T: Nhiệt độ của thực phẩm ( o C) (ứng dụng từ -40 đến 150 o C)

Trang 21

1 Bài tập 1

Tính khối lượng riêng của chất rắn có trong hạt đậu tương biết

rằng đậu tương có độ ẩm là 13% (w/w), và khối lượng riêng tương ứng là 1.232 g/cm3 Khối lượng riêng của nước là 1.00 g/cm3

Trang 22

1.4 Độ rỗng

• Là tỷ lệ phần trăm không khí chiếm chỗ trong tổng thể

tích của khối thực phẩm

• Độ rỗng = thể tích khí/thể tích khối thực phẩm

• Xác định bằng khối lượng riêng của hạt (particle

density) và khối lượng riêng tổng thể (bulk density)

1 Các đặc trưng vật lý

density) và khối lượng riêng tổng thể (bulk density)

Trang 23

• Xác định bằng phương pháp bình tỷ trọng và chất khí thay thế như mục 1.2

Trang 24

1 Bài tập 1

Độ rỗng của khối thóc được đo lường bằng bằng cách sử dụng phương pháp thay thế chất khí Mẫu thóc được đặt trong bình thứ 2 Valve 2 và valve 3 đóng, không khí được cho vào bình 1 nhờ valve 1 Khi valve 1 đóng, áp suất cân bằng đạt 0.62 atm

Trang 25

• Ứng dụng của phép đo khối lượng riêng trong CNTP

Trang 26

Co o

C K

o o

P: áp suất tuyệt đối; Pdư: áp suất dư

Pa: áp suất khí quyển; Pck: áp suất chân không

Trang 27

1.8 Các quá trình

• Nóng chảy và đông đặc

– Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng

– Đông đặc là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha rắn

• Hóa hơi và ngưng tụ

– Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi

– Ngưng tụ là quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng

• Thăng hoa và ngưng kết

– Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi

– Ngưng kết là quá trình chuyển từ pha hơi sang pha rắn

Trang 28

1.9 Các trạng thái

• Nước bão hòa (nước sôi)

– Là nước khi bắt đầu quá trình hóa hơi hoặc kết thúc ngưng tụ– Là phần nước cùng tồn tại với hơi

• Hơi bão hòa khô

– Là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ, hoặc khi vừa hóa hơi

xong

• Hơi bão hòa ẩm

– Là hỗn hợp giữa hơi bão hòa khô và nước bão hòa (nước sôi)– Tỷ số giữa khối lượng hơi bão hòa khô và hơi bão hòa ẩm gọi

là độ khô– Tỷ số giữa khối lượng nước sôi với hơi bão hòa ẩm gọi là độ

ẩm của hơi bão hòa ẩm

Trang 29

• Nước chưa sôi

– Là nước có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất

hoặc là nước có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ

• Hơi quá nhiệt

– Là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc

là hơi có áp suất nhỏ hơn áp suất bão hòa ở cùng nhiệt độ

Trang 30

• Nội năng (U)

– Là tổng của nội động năng của chuyển động hỗn loạn bởi các nguyên tử hay phân tử chứa trong vật và nội thế năng trong các liên kết phân tử, tính trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của vật hay hệ vật lý

• Enthalpy (H)

– Là hàm trạng thái nhiệt động của hệ, đối với một hệ nhiệt động

có thể trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh

– H = U + pV; trong đó U là nội năng, p - áp suất và V - thể tích

• Entropy (S)

– Là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của một hệ.– Đối với một quá trình thuận nghịch, dS = dQ/T; trong đó dQ là lượng nhiệt trao đổi khi trạng thái của hệ thay đổi vô cùng nhỏ

ở nhiệt độ T

– Đối với một quá trình không thuận nghịch S của hệ luôn tăng

Trang 31

• Hệ

– Là một hoặc nhiều vật thể được tách ra để nghiên cứu những Tất

cả phần ngoài hệ gọi là môi trường

– Hệ kín: trọng tâm của hệ không chuyển động, không có sự trao đổi nhiệt và khối lượng với môi trường

– Hệ hở: trọng tâm của hệ chuyển động, có sự trao đổi nhiệt và khối

– Hệ hở: trọng tâm của hệ chuyển động, có sự trao đổi nhiệt và khối lượng với môi trường

– Hệ đoạn nhiệt: không trao đổi nhiệt với môi trường

– Hệ cô lập: không có bất kỳ sự trao đổi năng lượng với môi trường

Trang 32

• Pha

– Là tập hợp mọi phần đồng thể của hệ, mọi điểm trong pha có các tính chất nhiệt động, vật lý, hoá học và thành phần nhưnhau, giữa các pha có bề mặt phân cách, qua bề mặt đó các tính chất của hệ biến thiên đột ngột

– Vd: nước lỏng và nước đá tạo thành hệ dị thể hai pha: rắn và

Trang 33

2 Hệ đơn vị

2.1 Hệ đơn vị CGS (centimét – gam – giây)

– Dùng chủ yếu trong các phép đo vật lý

2.2 Hệ đơn vị MKGS (mét – kilôgam – giây)

– Dùng trong các phép đo kỹ thuật

2.3 Hệ đơn vị SI (International Standard of Units) (mét –

kilôgam khối lượng – giây)

– Được sử dụng rộng rãi nhất

– Là hệ thu gọn của MKGS

– SI được xây dựng dựa trên:

• 7 đơn vị đo lường cơ bản: kilôgam, mét, giây, ămpe, kelvin, mol, và

candela.

• Một số đơn vị dẫn xuất: m/s, J/s, Pa, N, W/mK, etc.

• Các tiền tố: tạo ra bội số hoặc ước số của đơn vị đo

Trang 34

2 Hệ đơn vị

Hệ đơn vị đo SI của một số đại lượng thường dùng

Trang 35

+ Trong phương trình toán biểu thị mối tương quan giữa các đại

lượng, bắt buộc phải có sự đồng nhất của các đại lượng tham gia

3 2

Trang 36

Chuyên đề 2: Truyền khối trong CNTP

Trang 37

I Định nghĩa và phân loại

1.1 Định nghĩa

– Truyền khối (mass transfer) là quá trình di chuyển vật chất từ vị trí này sang vị trí khác trong 1 pha hay từ pha này sang pha khác khi 2 pha tiếp xúc trực tiếp với nhau

1.2 Phân loại

– Hấp thu (absorption): quá trình hút khí bằng chất lỏng (dung môi) Hấp thu (thể tích) ≠ hấp phụ (bề mặt)

• VD: làm sạch khí, tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt

– Hấp phụ (adsorption): quá trình hút chất khí hay lỏng (adsorbent) bằng chất rắn xốp (absorbate), trong đó vật chất đi từ pha khí, lỏng vào pha rắn

• Hấp phụ (adsorption) giải hấp phụ (desorption)

• Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

– Chưng cất (distillation): quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt nhờ chênh lệch nhiệt độ sôi, vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại

• VD: tách ethanol từ hỗn hợp sau lên men, tách tinh dầu, tách muối

Trang 38

I Định nghĩa và phân loại

– Trích ly (extraction): quá trình tách các chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng chất lỏng hay chất rắn khác

• Trích ly lỏng - lỏng (liquid – liquid extraction)

• Trích ly lỏng -rắn (solid – phase extraction)

• VD: tách tinh dầu, tinh chế protein, lọc nước…

– Kết tinh (cystallization): quá trình tách chất rắn trong dung dịch, vật chất đi từ pha lỏng vào pha rắn

• VD: kết tinh đường từ mật mía,

– Hòa tan (dissolution): quá trình vật chất đi từ pha rắn sang lỏng.– Sấy khô (drying): quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm, vật chất đi từ pha rắn hay lỏng vào pha khí

• VD: sấy ngũ cốc, quả…

Trang 39

II Biểu diễn thành phần pha

2.1 Nồng độ (concentration)

• Nồng độ phần mol của cấu tử i trong pha lỏng và pha khí

• Nồng độ tỷ số mol của cấu tử i trong pha x và pha y

– L i , G i : lưu lượng mol của cấu tử i trong pha x, và pha y (mol/h)

– L, G : lưu lượng mol của pha x, và pha y (mol/h)

i

iL L

L X

G Y





Trang 40

2.1 Nồng độ (concentration)

• Nồng độ phần mol của cấu tử i trong pha lỏng và pha khí

• Nồng độ tỷ số mol của cấu tử i trong pha x và pha y

• Nồng độ mol của cấu tử I trong pha x và pha y

i

iL L

L X

G Y





i x

x

L C

V

y

G C

V



Trang 41

• Nồng độ phần khối lượng của cấu tử i trong pha x và pha y

• Nồng độ tỷ số khối lượng của cấu tử i trong pha x và pha y

L X

G Y





i X

x

L C

V



Trang 42

: lưu lượng mol của cấu tử i trong pha x, và pha y (mol/h)

: lưu lượng mol của pha x, và pha y (mol/h)

:lưu lượng khối lượng của cấu tử i trong pha x & pha y (kg/s): lưu lượng khối lượng của pha x và pha y (kg/s)

• Mối quan hệ giữa nồng độ thành phần pha

x M

A

M

y M

M

y y

) 1

A

M x xM

M

x x

) 1

Trang 43





y Y



 1

X

X x





Y y



 1

x

x X





y Y



 1

X

X x





Y y



 1

Trang 44

n 

V N

n: số mol hỗn hợp; N: nồng độ mol (mol/L), ρ: tỷ khối (g/L) C: nồng độ %; P: áp suất (Pa), V: thể tích (L);

R: hằng số khí 8314 (J/mol K); T: nhiệt độ (K);

Trang 45

a) Nồng độ phần khối lượng của các cấu tử trong hỗn hợp

b) Nồng độ tỷ số mol

c) Nồng độ tỷ số khối lượng

d) Nông độ khối lượng

Trang 46

3 Bài tập 3

• Đề bài: Nồng độ phần mol của một hỗn hợp khí trong buồng bảo quản CA cho táo ở 1oC và 105 Pa như sau:

O2: 2%; CO2: 3%; và N2: 95% Tính:

a) Nồng độ phần khối lượng của mỗi loại khí

b) Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí

c)Tỷ khối của hỗn hợp khí

d) Áp suất riêng phần của các khí thành phần

Trang 47

uA  A 

• Tốc độ khuếch tán mol:

B B A

A v x v x

v  

v v

u

v v

u

B B

A A

uB  B 

B B A

A v x v x

v  

Trang 48

2.3 Thông lượng (flux)

• Thông lượng: lượng vật chất qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

• Hỗn hợp có hai cấu tử A, B

– Thông lượng mol của cấu tử A:

– Thông lượng mol của cấu tử B

N x

C v

C

N A  A. A  A ( A )  A

N x C

v C

N   ( ) 

– Thông lượng mol của cấu tử B

– Thông lượng mol của hỗn hợp

– Thông lượng khuếch tán mol của cấu tử A:

– Thông lượng khuếch tán mol của cấu tử B :

A A

A C u

J 

N x C

v C

N B  B. B  B ( B )  B

B B

Trang 49

III Cân bằng pha

quá trình khuếch tán của cấu tử

giữa hai pha để đưa hệ về trạng

thái cân bằng

• Ở trạng thái cân bằng:

• Tại mỗi điều kiện xác định sẽ tồn tại một mối quan hệ cân bằng giữa nồng độ của cấu tử trong hai pha và được biểu diễn bằng đường cân bằng

X*

Trang 50

NH3 + Không khí

III Cân bằng pha

Gọi x, y là nồng độ của NH3 trong nước và không khí

vk là vận tốc của NH3 di chuyển từ pha khí vào pha lỏng

vn là vận tốc của NH3 di chuyển từ pha lỏng vào pha khí

NH3 + Không khí

H2O

Khi t = t1, vk > vn

y giảm dần, x tăng dầnKhi t = 0, x = 0, y>0

H2O

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	3,52 MB

Bài giảng vật lý THỰC PHẨM

Cơ chế quá trình truyền khối 4.1 Truyền khối bằng khuếch tán phân tử