Thành phần hóa học của sữa

Cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng sữa cũng ngày một tăng lên, trong đó có sữa bột, do vậy mà công nghệ chế biến và sản xuất và sữa ¨ bột cũng ngày mộttăng lên .Trong đồ án

LỜI NÓI ĐẦU

Trong tất các sản phẩm thực phẩm sữa là một sản phẩm chứa đầy đủ dinh dưỡngvới hàm lượng cân đối nhất Sữa đóng một vai trò hết sức quan trọng trong đời sống

và sức khỏe của con người

Công nghệ chế biến sữa đã ra đời rất lâu ở các nước phát triển các sản phẩm sữangày nay rất đa dạng về chủng loại Ơ nước ta công nghệ chế biến sữa chỉ bắt đầu pháttriển mạnh vào những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20 khi đất nước bước vào thời

kỳ đổi mới , cho đến ngày nay đã có rất nhiều các nhà máy sữa lớn nhỏ trên khắp đấtnước

Trong các sản phẩm từ sữa thì sữa bột giữ một vai trò rất quan trọng và chiếm một

số lượng lớn Việc chế biến và sản xuất sữa bột có nhiều ý nghĩa quan trọng, trong đó

ưu điểm lớn nhất là tăng được thời gian bảo quản sữa và giảm chi phí vận chuyển dovậy nó có ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế Có nhiều phương pháp để sản xuấtsữa bột mỗi phương pháp sản xuất sẽ cho ra một loại sản phẩm có chất lượng khácnhau ,phổ biến nhất hiện nay là phương pháp sấy phun và phương pháp sấy màngmỏng

Cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng sữa cũng ngày một tăng lên, trong

đó có sữa bột, do vậy mà công nghệ chế biến và sản xuất và sữa ¨ bột cũng ngày mộttăng lên Trong đồ án môn học này em xin trình bày phương pháp sản xuất sữa bộtbằng phương pháp sấy phun nhằm phần nào làm sáng tỏ hơn công nghệ sản xuất sữabột

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Xuân Hải ,sự giúp đỡcủa các thầy cô ở bộ môn công nghệ thực phẩm cùng các bạn sinh viên đã giúp emhoàn thành đồ án môn học này

Trong khoảng thời gian ngắn và đây là lần đầu tiên bước vào tính toán hệ thốngthiết bị chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót , em rất mong được sự chỉ bảothêm của thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn

Chương I – TỔNG QUAN :

I.1 – Tổng quan về nguyên liệu :

Nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất sữa bột là sữa đặc được cô đặc từ sữatươi Sữa tươi mới vắt có nhiều thành phần dinh dưỡng có giá trị cao và cân đối nhưđạm, chất béo gluxít , các chất khoáng và các nguyên tố vi lượng đáp ứng được nhucầu dinh dưỡng của con người Ngoài nguyên liệu chính là sữa tươi còn có các nguyênliệu phụ khác như : đường , vitamin , các chất ổn định …

I.1.1 – Thành phần hóa học của sữa :

Sữa là một chất lỏng được tiết ra từ tuyến sữa của động vật hữu nhũ.Thành phầnhóa học của các loại sữa không giống nhau chúng luôn thay đổi và phụ thộuc vào cácyếu tố như thời kỳ tiết sữa , thành phần thức ăn cho gia súc , phương pháp vắt sữa và

độ tuổi của con vật Thành phần của các chất có trong sữa người ta đo được như sau :

• Protein:

Protein trong sữa là protein hoàn hảo ,trong thành phần của các loại protein

này có chứa 19 loại acid amin khác nhau, trong đó có đầy đủ các acid amin không thaythế Trong sữa có hai nhóm protein chính là casein và protein nước sữa( whey protein)

- Casein :

Casein là thành phần quan trọng nhất của protein trong sữa chiếm 75 – 80 % lượngprotein, bao gồm nhiều loại protein khác nhau như : α - casein , β - casein, κ - casein,

γ - casein Các casein này tồn tại ở dạng keo bởi sự tương tác giữa chúng và các thànhphần khác

- Protein nước sữa ( whey protein) :

Protein nước sữa chiếm khoảng 20 % tổng lượng nitơ có trong sữa và chủ yếu ở 2dạng đó là: lactalbumin và lactoglobumin Cả 2 phần này của protein nước sữa làkhông đồng nhất Lactalbumin là protein đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổnghợp đường lactose

• Chất béo :

Chất béo trong sữa chiếm khoảng 3,5 – 3,7 % ( theo tổng khối lượng ) Chất béocủa sữa là hỗn hợp của 98 – 99 % trygliceride va 1 – 2 % còn lại là các thành phầnkhác Chất béo của sữa không tạo vị nhưng có mùi êm dịu tạo sự ngon miệng cho cácsản phẩm của sữa Ở trong sữa , chất béo tồn tại ở dạng nhũ tương là dạng phân táncủa các giọt béo trong nước Hầu hết chất béo trong sữa nằm chủ yếu ở dạng các hợpchất ester ,

Các loại acid béo có trong sữa được ghi nhận trong bảng sau :

Acid béo % theo khối lượng Trạng thái tồn tại Công thức hóa họcButyric

Caporic

Caprylic

3,0 - 4,61,3 – 2,20,8 – 2,5

Lỏng ở nhiệt độphòng

C4H8O2

C6H12O2

C8H16O2Capric

Rắn ở nhiệt độphòng

• Các thành phần khác:

- Khoáng và muối

Khoáng trong sữa tồn tại dưới dạng hòa tan hoặc tạo muối với casein Muối khoángquan trọng nhất là muối khoáng của các kim loại như : Ca , Mg , Na , và K Chúnghiện diện dưới dạng của muối PO4-3 , Cl- ,CN- và caseinate Trong sữa hai muối của Ca

Các enzime thủy phân :lipase , phosphotase kiềm , galactase , và amylase

Các enzime oxy hóa sinh học : Peroxidase , Oxydase …

II.1.2 - Tính chất vật lý của sữa :

Ở điều kiện thường sữa là một chất lỏng màu trắng đục là hỗn hợp của nhiều chấtkhác nhau và được phân bố ở những trạng thái khác nhau như hòa tan hoàn toàn ,dạnghuyền phù , dạng nhũ tương … các thông số vật lý của sữa như sau :

- Khối lượng riêng :

Là thông số quyết định trạng thái của các thành phần có trong sữa , khối lượng riêngcủa sữa tươi có giá trị từ 1028 – 1035 kg / m3 Giá trị này thay đổi và phụ thuộc vàoloài giống gia súc, chu kỳ tiết sữa và nhiệt độ của môi trường

- Độ chua của sữa :

Độ chua ccủa sữa là do có sự hiện diện của ion H+ Ở 20 o C độ pH của sữa có giátrị khoảng 6,5 – 6,7 và cũng phụ thuộc vào loài và chu kỳ tiết sữa

- Độ nhớt của sữa :

Phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái phân tán của các chất có tong sữa Thôngthường độ nhớt của sữa có giá trị khoảng 20 cp ở 20o C

- Ap suất thẩm thấu của sữa :

Ap suất thẩm thấu của sữa (Ptt) được tạo bởi những chất có khả năng phân tán cao nhưđường lactose, muối Thông thường áp suất thẩm thấu của sữa có giá trị vào khoảng6,6 atm ở 0 o C

- Nhiệt độ đông đặc :

Sữa có nhiệt độ đông đặc từ -0,53 tới – 0,57 oC tùy theo loại sữa.Nhiệt độ đông đặctrung bình la - 0,54 oC , thấp hơn nhiệt độ đông đặc của nước là do trong sữa có một

số chất hòa tan như đường lactose , các khoáng …

• Ngoài nguyên liệu chính là sữa tươi còn có một số nguyên liệu phụ trong quá trìnhsản xuất sữa bột như : đường , vitamin , chất ổn định …nhằm mục đích tạo độ đặccho sản phẩm sữa , tạo độ ngọt , và màu vàng đặc trưng cho sữa Đườngmaltosedextril còn có tác dụng làm cho sản phẩm sữa bột bền nhiệt , không bị biếntính khi sấy và sản phẩm sữa bột không bị vón cục

II.1.3 - Những biến đổi của sữa trong quá trình bảo quản:

Sữa là chất lỏng có giá trị dinh dưỡng cao, thành phần dinh dưỡng trong sữa tươi rấtcân đối , dễ hấp thụ nên sữa tươi là môi trường rất thích hợp cho sự phát triển của visinh vật Mặt khác trong sữa lại có chứa nhiều enzime do vậy mà sau khi vắt ở sữaxẩy ra nhiều quá trình biến đổi làm giảm chất lượng của sữa mà ta cần chú ý để hạnchế.bao gồm các quá trình chủ yếu sau đây:

- Phản ứng lên men đường :

Thông thưởng các vi sinh vật phân hủy đường tạo thành các rượu và các aldehydlàm giảm chất lượng của sữa

- Phản ứng phân hủy chất béo :

Chất béo trong sữa bị phân hủy có thể là do enxime lipase của vi sinh vật hoặc có thể

là do quá trình oxy hóa Các sản phẩm của quá trình oxy hóa chất béo là CO2 , H2O ,aldehyd , cetone , peroxide và các hydroproxide làm sữa ccó mùi khó chịu

- Phản ứng phân hủy protein :

Hiện tượng sữa tươi bị thối rữa là donhiều loại vi sinh vật có trong sữa phát triển vàphân hủy protein của sữa Những vi khuẩn gây thối rữa đã tiết các enzime protease,enzime này tác động làm phân hủy protein Sản phẩm cuối ccùng của quá trình phânhủy này là cac acid béo ngắn mạch , NH3 , CO2 , H2S … làm sữa có mùi ôi thối khóchịu và độc đối với cơ thể

I.2 – Các phương pháp sấy được ứng dụng để sản xuất sữa bột :

Sấy ở đây là quá trình làm mất nước của sữa.Sữa tươi ban đầu được lọc gạn và tiêuchuẩn hóa bằng cách đun nóng ở 93 – 100 oC trong thời gian khoảng 25 phút nếu nhiệt

độ là 115 -128oC thì chỉ đun từ 1 – 6 phút sau đó được cô đặc đạt độ ẩm là 45 - 55 % Sữa thường được cô đặc ở nhiệt độ thấp bằng quá trình bốc hơi chân không để tránhbiến tính của sữa do nhiệt độ cao Để quá trình sấy xảy ra tốt, các hạt sữa không bị keolại người ta thêm vào một loại phụ gia là đường Mantodextrin Loại đường này ngoàiviệc giúp cho quá trình tạo bột khi phun được tốt hơn nó còn giúp sữa chịu được nhiệt

dộ cao hơn tránh được sự biến tính của sữa khi nhiệt độ cao Sữa được sấy cho đến khiđạt độ ẩm là 2,5 – 5 % Trong điều kiện độ ẩm này thì các loài vi sinh vật không thểtồn tại và phát triển được , trừ một số bào tử Do vậy trong công nghệ sản xuất sữa bộtsấy vừa đóng vai trò chế biến vừa đóng vai trò bảo quản,tùy theo yêu cầu sản phẩm vàchế độ công nghệ mà người ta có thể sử dụng các loại phương pháp và thiết bị sấy sau

I.2.1 –Sấy chân không(Freeze- Drying):

Dùng trong sản xuất sữa bột chất lượng cao , trong phương pháp này nước trongsữa được bốc hơi ở điều kiện chân không nhiệt độ sấy thấp ,vì vậy mà ưu điểm củaphương pháp này là các protein trong sữa không bị biến tính cũng như không kéo theocác phản ứng bất lợi khác Bên cạnh đó thì phương pháp này cũng có nhược điểm làkết cấu thiết bị phức tạp, hao tốn nhiều năng lượng do vậy mà thiết bị này không được

sử dụng rộng rãi trong thực tế

I.2.2 –Sấy trục ( Roller or drum Drying):

Trong phương pháp này sữa được sấy bằng cách tiếp xúc trực tiếp bề mặt truyền

nhiệt ( hai trục được gia nhiệt bằng hơi nước) Thiết bị sử dụng trong phương pháp nàytương đối đơn giản nhưng gặp khó khăn trong khi vận hành Nếu quá trình xử lí nhiệtkhông tốt không thích hợp sẽ kéo theo ssự thay đổi đáng kể tính chất hóa lí của sữa,tạo màu do phản ứng caramel , protein bị biến tính, độ hòa tan của sữa giảm Vì vậy

mà thiết bị này cũng không được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sản suất sữa trừmột số loại sữa dùng trong công nghiệp không yêu cầu độ hòa tan cao

I.2.3 – Sấy phun ( Spray – Drying):

Trong phương pháp này nguyên liệu được phân tán vào trong thiết bị sấy dưới dạngcác hạt sương và được làm khô bằng dòng khí có nhiệt độ cao.Quá trình sấy diễn rấtmãnh liệt trong lòng thể tích các giọt lỏng Sản phẩm của sấy phun dưới dạng bột mịn

Ưu điểm của phương pháp này là thời gian sấy ngắn, sản phẩm thu được ở dạng mongmuốn do vậy không cần phải xử lí thêm ,bên cạnh đó nó cũng có một số nhược điểmnhư là kích thước thiết bị khá lớn,tiêu tốn nhiều năng lượng.Tuy nhiên,phương phápsấy phun là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ sản xuất sữabột hiện nay, chi tiết của công nghệ này sẽ được trình bày cụ thể trong phần sau

I.3 – Những biến đổi của sữa trong quá trình sấy phun:

Khi được phân tán vào trong thiết bị sấy dưới dang giọt, dưới tác dụng của dòng khí

có nhiệt độ cao các giọt sữa se giảm đường kính, khối lượng và thể tích Trong điềukiện sấy lí tưởng khối lượng sẽ bị giảm khoảng 50% , thể tích giảm 40% , còn đườngkính giảm khoảng 70% so với giọt lỏng ban đầu từ vòi phun Ngoài những biến đổitrên thì trong quá trìng sấy sữa còn có một số biến đổi bất lợi khác như sau:

- Protein bị biến tính gây ra mùi khó chịu, giảm độ hòa tan của sữa làm giảm giátrị cảm quan và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm

- Trong điều kiện sấy ở nhiệt độ cao , có thể xẩy ra phản ứng caramel hóa đườnglactose có trong thành phần của sữa, phản ứng Maillardd… tạo mùi và màu không tốt ,bất lợi cho sản phẩm

- Sự oxy hóa của các lipite có trong sữa( do sự có mặt của emzim lizase có trongsữa trong trường hợp xử lí không triệt để).Vì vậy đối với nguyên liệu sữa tươi dung dễsản xuất sữa bột nguyên kem thì thường phải chú ý nâng cao nhiệt độ khi thanh trùng

so với nguyên liệu dể làm sữa bột không béo để đảm bảo vô hoạt hoàn toàn enzimlizase

I.4 – Quá trình sấy phun :

Sữa được phun thành những hạy bụi nhỏ và được làm khô trong phòng sấy Sữatươi ban đầu được cô đặc đạt độ khô từ 45 – 55 % trong điều kiện chân không sau đóđược đưa vào thiết bị sấy phun Khi thiết bị làm việc không khí qua bộ phận lọc (9)được thổi vào bộ phận đốt nóng (4), tại đây không khí được đốt nóng tới180 o C vàthổi vào buồng sấy (6) Sữa đặc được bơm cao áp bơm từ bồn chứa tới vòi phun vàđược phun vào trong tháp dưới dạng những hạt bụi nhỏ Trong phòng sấy các hạt bụisữa được sấy khô ngay lập tức thành bột sữa rơi xuống dưới Không khí trong thápsấy được quạt hút ra ngoài qua xyclon (8) để thu lại những hạt sản phẩm nhỏ bị lôicuốn theo dòng khí , nó được trộn với sản phẩm từ trong tháp sấy nhờ ống vận chuyểnkhí động (5) qua xyclon (8) và được lấy ra ngoài liên tục

Ở phương pháp này mặc dù nhiệt độ của không khí khá cao (180o C ) nhiệt độ củanhững hạt sữa chỉ mới 70 – 80 o C , và khô ngay thành bột trong một khoảng thời gianrất ngắn do vậy mà thành phần và tính chất của sữa hầu như không đổi , độ hòa tan củasữa bột rất cao Sữa bột được sản xuất thao phương pháp này gọi là sữa bột hòa tan

Chương II - TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG:

II.1 - Các thông số ban đầu :

Năng suất theo sản phẩm sấy : G 2 = 100 kg/h

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: W 1 = 50 %

Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy : W 2= 3%

G1 : Năng suất nhập liệu, kg/h

Ga : Năng suất bốc hơi ẩm, kg ẩm/h

Gk : Lượng không khí tiêu hao, kg kk/h

100

2

1 1

W G

W G

⇒

1

2 2

3100

*100

Lượng không khí cần cho quá trình sấy

- Chọn không khí vào calorifer cónhiệt độ to = 30 oC, ϕo = 0.77 Không khí vào thiết

bị sấy có nhiệt độ là t1 = 180o C,ra khỏi thiết bị sấy có nhiệt độ là

t2= 90 oC

4241

*77,0101000

77,0

*4241

*622,0

*

*

*622,0

ohbh o P P

P d

ϕ

ϕ

( kg ẩm/kg kk khô)

Ho = to + (2500+ 2*to)*do =30 + ( 2500 + 2*30 )* 0,02 = 81,2 (kj/kg kk khô)Không khí vào calorifer được đốt nóng đến t1 = 180 o C,

d1 = do = 0,02 ( kg ẩm/kg kk khô)

H1 = t1 + ( 2500 + 2*t1)* d1= 180 +(2500 +2*180)*0,02 =237,2 (kj/kg kk khô)Quá trình sấy theo lí thuyết do vậy

Enthanpi của không khí ra khỏi thiết bị

sấy H2 = H1 do vậy :

Độ chứa hơi :

064,090

*22500

902,237

*2

2 2 2

=+

(kg ẩm/kg kk khô)

Lượng không khí tiêu hao riêng :

73,2202,0064,0

11

2

3 2

V

Lưu lượng không khí thực chuyển động trong tháp sấy bao gồm lượng không khí khô

và lượng hơi ẩm bốc hơi từ vật liệu sấy :

- Chọn vòi phun tạo sương lọai cơ khí

II.3.2 - Kích thước thiết bị chính:

- Đường kính trung bình của giọt vật liệu được tính theo công thức

*2

50cos

*2

10)

2cos11(

*2cos

c l

d

G d

µπ

10

*38,

34 , 0

K Gu

d

=

ρρ

trong đó

3,165

10

*86,26

10

*25

*32,0

*5,0

)(

*

2 1

2

+++

−

=+

C C r K

Rp ; bán kính tán phun, m

ω ; vận tốc dòng khí chuyển động trong thiêt bị, m/s

r ; ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, kj/kg ; r = 2150 kj/kg

C1, C2 ; nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở nhiệt độ T1 T2, kj/kg độ

 Xác định chiều cao của tháp sấy:

Chiều cao hữu hiệu của tháp sấy được xác định theo công thức

1

253 0 3

max

))(

*

*(

*Re

*10

*37,1

u

T

T T

r d

λ ; hệ số dẫn nhiệt của không khí, λ = 3,4*10-2 ( w/m2 độ)

dmax ; kích thước lớn nhất của hạt sản phẩm , dmax = 2 dtb = 50.10-5 (m)

)54180(

*10

*4,3

10

*85,34

*10

*2150(

*165,3

*10

*37,

2

6 3

253 , 0 3

Chọn chiều cao của tháp là HT = 4 (m) ,gồm 2 phần ; phần thân hình trụ cao 2,6(m)phần đáy côn có chiều cao là 1,4 (m)

 Kiểm tra lại vận tốc của không khí đi trong tháp so với lựa chọn ban đầu:

Tiết diện của tháp sấy:

4

6,1

*14,34

*3600

2480

s m F

32,0334

,

0

=

−

< 5% ; vậy lựa chọn ban đầu là hợp lý

h

T s

H t

ω

= ;

ωh ;tốc độ của hạt sản phẩm rơi trong thiết bị , xem ωh = ω = 0,34 ( m/s)

Vậy thời gian sấy vật liệu là:

t s = 0,432 =12,5(s)

II.3 - TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG :

II.3.1 - Tổn thất nhiệt ở tháp sấy :

- Chế chuyển động của không khí trong thiết bị

10

* 86 , 26

6 , 1

* 32 , 0

2

=

- Hệ số cấp nhiệt từ trong lòng dến thành tháp do đối lưu cưỡng bức

8 ,

Re

*018,

10

*4,3

*23,70

*

' 1

'

D

Nu D

- Hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự do

Nu =0,47*Gr0 , 25

3 2

3

10

*4,9)273125

(

*)10

*32,24(

)70125(

*6,1

*81,9

*

*

*

=+

10

* 4 , 3

* 3 , 146

- Hệ số cấp nhiệt từ ngoài thành thiết bị đến môi trường xung quanh.Giả sử nhiệt độ

của không khí trong phân xưởng là tk = 28o C Nhiệt độ của lớp thép bảo vệ ngoàithánh thiết bị là tn = 60 oC

t t k t n o C

2

28 60

3

10

*53,1)27328(

*)10

*69,16(

)2860(

*6,1

*81,9

*

*

*

=+

⇒ 2,76

6,1

10

*67,2

*3,165

'

T D

εn : là mức độ đen của vật, với hệ thống bằng thép chọn εn = 0,85

Co : là hệ số cấp nhiệt của vật đen tuyệt đối , chọn Co = 5,7

T1 = tw + 273 = 60 + 273 = 333 o C

T2 = tf2 + 273 = 30 + 273 = 303 oC

Thay vào ta có :

87,5)303333/(

))100

303()100

333((

*7,5

- Bề dày của lớp cách nhiệt là :b2

Lượng nhiệt truyền từ trong tháp do cấp nhiệt là

tw3 , tw4 ; nhiệt độ ở bề trong và bề ngoài

của lớp vỏ bảo vệ xem tw3 ~ tw4 = 60 oC

D tb ; đường kính trung bình của thiết bị khi kể cả lớp cách nhiệt

Dtb = Dt + 2*b1 +b2 = 1,6 + 2* 0,005 +b2 (m)

Thay vào ta tính được bề dày cua lớp cách nhiệt là b2 = 1 (cm)

- Hệ số truyền nhiệt tổng quát từ trong lòng thiết bị ra môi trường xung quanh là

2

2 1

3 1 2 1

11

1

λλ

αα

b b b

K

+

+++

=

0525 , 0

01 , 0 2

, 21

001 , 0 005 , 0 63 , 8

1 76 , 5 1

+

+ +

t t

107

152ln

107152ln

2 1

2 1

ng

D H

Dng = DT + 2*( b1 +b2+b3) = 1,6 + 2*( 0,005 + 0,01 + 0,001) =1,632 (m)

4

632,1

*14,34

*632,1

*14,

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh tính theo một kg ẩm

qm = K* F *∆tln =2,08*128*22,6 = 230 (kj/kg)

II.3.2 - Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình sấyư1

1- Theo không khí vào :Gk* Ho = 2030

2- Theo ẩm củavật liệu : Cn*tvào= 251,4

- Tổng nhiệt lượng vào là :Σqvào = 6571,4

3- Tổn thất ra môi trường xung quanh : q = 230

,6571100

Σ

Σ

−Σ

ra

ra vao

q

q q

Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường:

*100 3,5%

4,6571

230100

*018,06,0(1[

*18,