1、1,德州扒鸡,天津狗不理包子,北京烤鸭,长沙臭豆腐,河南烩面,桂林米粉,东北小鸡炖蘑菇,四川水煮鱼,2,食品工程原理,Principles of food Engineering,粮油食品学院,主讲人：彭丹 2011年9月,3,课程简介,学时：60学时教材：杨同舟.食品工程原理，中国农业出版社,性质基础内容任务,工程性、实践性强专业基础课具有桥梁作用,高等数学、 物理化学、 机械制图等,“三传理论” “单元操作”,开发、设计、 操作、强化,开发：选择合适的 过程及设备（按经 济合理性、技术可 行性、污染小、能 耗低）,设计：选择设 备的型号及主 要尺寸（根据 工艺对设备的 要求）,操 作：如何
2、进 行操作和调节 以适应生产的 不同要求,强 化：改造现有的 生产过程和设备以 提高效率（包括增 产、降耗、节能）,4,李云飞，葛克山.食品工程原理，中国农业大学出版社，2002. 高福成. 食品工程原理，中国轻工业出版社.1998 冯骉. 食品工程原理，中国轻工业出版社.2005 姚玉英，黄凤廉，陈常贵等. 化工原理，上下册，天津：科学技术出版社，1999 赵思明，熊善柏，林向东等.食品工程原理，科学出版社，2009,参 考 书,5,http:/www.sino- http:/bbs.tech- http:/ http:/ http:/ http:/www.mem- http:/ http:
3、/ 论,7,食品工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成食物的工业。包括的门类繁多，如粮食加工、食用油脂、肉类加工、乳品、糕点、制糖、制盐、制茶、卷烟、酿酒、罐头等二十多个不同行业。 特点：原料来源广泛；生产具有季节性；产品销售具有普遍性；生产具有一定的地方性 。,一、食品工程原理的研究内容,8,原料特点热敏性：如蛋白质遇热容易变性，要求温度低、时间短。易氧化性：如脂肪成分在高温下易氧化变质，要求少量空气、O2少，时间短、不锈钢。易腐败性：如微生物生长繁殖。 产品要求营养卫生，色、香、味经济性 工序一个生产过程是由许多生产工序组合而成,9,从原料到成品（产品）这个过程叫食品的生产过程,
4、原料,前处理,食品加工,后处理,产品,除去杂质达到 必要的纯度， 物理变化过程,除物理操作外， 生成新的物质， 化学变化过程， 如食品风味形成,精制、分离达 必要的纯度， 物理变化过程,食品生产过程包括化学反应过程和物理加工过程。,食品工程原理研究：食品生产过程中除化学反应的物理过程。,10,举例：,全脂乳粉生产的工艺流程,F12%,8085，30s,F4045%,空气温度180200，牛乳温度4045,11,再如：大豆萃取法制油的工艺流程,大豆 预处理（筛选、粉碎、去皮、压片） 浸取（正己烷） 过滤 蒸发脱溶剂 离心脱胶 碱炼（脱酸） 脱色（白土） 脱臭 检验成品（产品）,12,上述产品的原
5、料形式、加工工艺都有很大的不同，但都包含了流体的输送、物质的分离、加热等不同的物理操作过程。这些工序就是单元操作。,单元操作原理、设备结构是食品工程原理研究的范畴。,1、单元操作,13,均为物理操作，只改变物料的状态或物理性质，不改变其化学性质。 食品生产过程中共有的操作，例如：加热操作，在奶粉生产中浓缩需要加热，在大豆油生产中脱臭也需要加热。 设备可通用。例如上面的奶粉和制油工业中，虽然生产过程不同，但都可以使用同样的加热器进行加热。,单元操作的特点,14,按操作的理论基础划分： 以动量传递理论为基础流体输送、搅拌、沉降、过滤，离心分离 以热量传递理论为基础加热、冷却、蒸发、冷凝 以质量传递
6、理论为基础蒸馏、吸收、吸附、萃取,单元操作的分类,上述三种理论，我们称之为“三传理论”。,15,举例,16,动量传递（momentum transfer）:流体流动时，其内部伴随着动量传递，故流体流动过 程也称为动量传递过程。凡遵循流体流动基本规律的单元操作均可用动量传递理论研究 热量传递（hear transfer）:物料的加热或冷却过程也称为物体的传热过程。凡遵循传热基本理论的单元操作均可用热量传递理论研究。 质量传递（mass transfer）:两相间的传递过程称为质量传递。凡遵循传质基本理 论规律的单元操作均可用质量传递理论研究。,2、三传理论,17,单元操作和三传理论都是食品工程技
7、术的理论和实践基础。三传理论是单元操作的理论基础；单元操作是三传理论在生产中的具体应用。有些单元操作都会包含两种或两种以上的传递理论。,单元操作与三传理论的关系,18,茶饮料生产工艺流程,19,二、食品工程原理的基本概念,物料衡算能量衡算物系的平衡关系传递速率经济核算,20,1、物料衡算（material balance）,为弄清生产过程中原料、成品及损失的物料数量，必须进行物料衡算。 质量守恒定律：在化学反应中，参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。对于物料衡算来说，则是进入与离开某一加工过程的物料质量之差等于该过程中积累的物料质量。,21,物料衡算是质量守恒定律的一种表
8、达形式，即 G=G0+GA 式中G-输入物料的总和，G0-输出物料的总和，GA -积累的物料量。若积累的物料量为零，即连续生产或定态过程，则 G=G0,22,物料衡算的步骤：1）画出过程框图，用进入箭头表示输入的物料，用引出箭头表示输出的物料。在每个箭头上标出物料的名称，物料量，成分含量，温度，密度等。所有数据都标在图上。2）选择计算基准。多数情况下，图中给出一种物料的量，可以以它作为计算基准。否则，可指定一种物料量为100kg作基准。3）作物料衡算。衡算可以是对总量的，也可对某种成分的。,23,例0-1 将含4%脂肪的原料乳通过离心分离得到脂肪含量为0.45%的脱脂乳和脂肪含量为45%的奶油
9、。生产任务规定6h要求处理原料乳35000kg，试求产品脱脂乳和奶油的流量。,以1h原料乳的流量为计算基准对整个体系（如图虚线框所示）进行物料衡算。,解：,设脱脂乳的流量为c（kg/h），奶油的流量为w （kg/h）。,24,对脂肪进行物料衡算： 进入系统的脂肪含量=离开系统的脂肪含量,将上两式联立可解得 c =5368kg/h，w=465kg/h,对脂肪的物料衡算：,总物料衡算：,25,例0-2 雪利酒的配制，以下列a、b、c三种原料酒配制含酒精16.0%、糖3.0%的雪利酒。a b c 含酒精（%） 14.6 16.7 17.0 含 糖（%） 0.2 1.0 12.0,解：,以产品雪利酒的
10、量ms=100kg作计算基准。,26,总物料衡算：ma+ mb+ mc=100kg 对酒精的物料衡算： 0.146ma + 0.167mb + 0.170mc=0.16*100 对糖的物料衡算： 0.002ma + 0.01mb + 0.12mc=0.03*100 将式（1）、（2）、（3）联立可解得： ma=36.8kg; mb=42.4kg; mc=20.8kg.,27,2、能量衡算（energy balance）能量以各种形式存在，如机械能、热能、电磁能、化学能、原子能等。本课程所用到的能量主要有机械能和热能。能量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。,动能和势能
11、的总和,能量守恒定律:能量既不会消灭，也不会创生,它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。,28,能量衡算的依据是能量守恒定律，对热量衡算可以写成： Q=Q0+QL式中，Q随物料进入系统的总热量，kJ或kw;Q0随物料离开系统的总热量，kJ或kw; QL 向系统周围散失的热量，kJ或kw。,29,热量计算公式 Q=mH 式中，m物料的质量，kg；H物料的焓，kJ/kg。焓是一个相对量与基准温度有关，一般以0为基准，焓为零。 Q=mcpt 式中， m物料的质量，kg； t温度，(K)； cp等压比热容，kJ(kg),30,例0-
12、3 番茄酱的冷却，将固形物含量为40%的番茄酱以100kg/h的流量输入冷却器，使其由90有冷却到20，隔着金属壁冷却用水由15升至25，求冷却水的流量。 解：画出过程框图以0作温度基准进入系统的热流量离开系统的热流量：,31,因过程在系统中无积累热量，故 ，则水的比热容为 J/(kgK),而番茄酱的比热容要由其中固形物的比热容和水的比热容按照上述计算。若食品中非脂肪成分的比热容取837 J/(kgK)，则番茄酱的比热容：J/(kgK)因此，冷却水的流量kg/h,32,例0-4 高压灭菌锅中装有1000罐青豆罐头。灭菌时罐头被加热到100，离开灭菌锅前要求被冷却到40 。已知冷却水进口温度为1
13、5 ，出口温度为35 ，试计算共需要多少冷却水。已知青豆罐头的比热为4.1kJ/kg,金属罐的比热为0.50kJ/kg ，每一金属罐的重量是60g，罐头净重0.45kg。假设将灭菌锅锅壁降到40需要1.6104kJ，且忽略热量损失。,进入系统的热量：金属罐的热量=罐的质量比热降低的温度 =1000 0.06 0.50 （100-40）= 1.8103 kJ 青豆的热量= 1000 0.45 4.1 （100-40）= 1.1105 kJ进口处冷却水的能量=w 4.186 （15-40）=-104.6w kJ,解：设需要冷却水的质量为w，以罐头的最终温度40作温度基准,33,离开系统的热量：金属
14、罐的热量=1000 0.06 0.50 （40-40）= 0 kJ青豆的热量= 1000 0.45 4.1 （40-40）= 0 kJ出口处冷却水的能量=w 4.186 （35-40）=-20.9w kJ,进入系统的总热量=离开系统的总热量，即：1800+110000+16000- 104.6w =- 20.9ww=1527kg,34,例0-5 食物的直接蒸汽加热，将100kg温度为5的食品物料引入加热锅中，通入温度为120.2的水蒸气直接加热，最后终温度为81.2，若食品物料的比热容 J/(kgK)，求蒸汽的消耗量。 解：画出过程框图以0作温度基准。水蒸气冷凝放出凝结热后又降温至81.2放热
15、，两部分放热之和可由始、终态的焓差直接求得。,35,查书末附录4的饱和蒸气表，120.2水蒸气的比焓为2709.2 kJ/kg,而81.2液体水的比焓为339.8 kJ/kg。设蒸汽消耗量为x kg，则蒸汽共放热而食品物料吸热：因 ，则蒸汽消耗量,36,3、物系的平衡关系 (relationship of system balance)平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 以食盐的溶解和结晶为例：食盐浓度饱和浓度：结晶食盐浓度饱和浓度：溶解一定温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。,平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。,37,4、传递速率,以食盐的溶解为例：,不饱和食盐溶
16、液：溶解速率大；食盐浓度高时，溶解速率小。 饱和食盐溶液：溶解速率为零 平衡状态,溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推动力（driving force）。,38,颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。,原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的阻力。,传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即,过程的传递速率是决定设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小。,39,推动力,质量传递的推动力：浓度差 （对气体而言是分压差）,
17、热量传递的推动力：温度差,动量传递的推动力：压强差,40,5、经济核算(economic evaluations),本课程中，各单元操作的计算、设备的选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最优经济效益作为最终的设计方案。,在设计具有一定生产能力的设备时，选用不同的材料，不同的设备型式及操作条件，可以提出多种不同的设计方案,但最终应从技术经济的观点出发进行比较。,41,四、单位与单位换算,基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便的原则规定出它们的单位，这些物理量的单位称为基本单位。导出单位：根据基本物理方程由基本单位导出，并给予专有名称的单位。,42,在解题时要注意公式中的物理量所要求的单位,43,本节小结,1.了解：本课程的性质、内容、特点、任务； 2.理解和掌握： 单元操作、三传理论以及它们之间的关系，单元操作中常见基本概念（物料衡算、能量守恒、物系的平衡关系、传递速率、经济核算）；单位的正确使用、单位换算。,
