食品工程原理緒論

食品工程原理緒論第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2食品工程原理PrinciplesoffoodEngineering糧油食品學(xué)院主講人：彭丹2011年9月第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日3課程簡介學(xué)時：60學(xué)時教材：楊同舟.《食品工程原理》，中國農(nóng)業(yè)出版社性質(zhì)

基礎(chǔ)

內(nèi)容任務(wù)工程性、實(shí)踐性強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)課具有橋梁作用高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械制圖等“三傳理論”“單元操作”開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作、強(qiáng)化

開發(fā)：選擇合適的過程及設(shè)備（按經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可行性、污染小、能耗低）設(shè)計(jì)：選擇設(shè)備的型號及主要尺寸（根據(jù)工藝對設(shè)備的要求）操作：如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求強(qiáng)化：改造現(xiàn)有的生產(chǎn)過程和設(shè)備以提高效率（包括增產(chǎn)、降耗、節(jié)能）第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日4李云飛，葛克山.食品工程原理，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2002.高福成.食品工程原理，中國輕工業(yè)出版社.1998馮骉.食品工程原理，中國輕工業(yè)出版社.2005姚玉英，黃鳳廉，陳常貴等.化工原理，上下冊，天津：科學(xué)技術(shù)出版社，1999

趙思明，熊善柏，林向東等.食品工程原理，科學(xué)出版社，2009參考書第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日5相關(guān)網(wǎng)站第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日6

食品工程原理的研究內(nèi)容食品工程原理的基本概念單位與單位換算緒論第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日7食品工業(yè)：利用物理和化學(xué)方法將自然界的各種物質(zhì)加工成食物的工業(yè)。

包括的門類繁多，如糧食加工、食用油脂、肉類加工、乳品、糕點(diǎn)、制糖、制鹽、制茶、卷煙、釀酒、罐頭等二十多個不同行業(yè)。特點(diǎn)：原料來源廣泛；生產(chǎn)具有季節(jié)性；產(chǎn)品銷售具有普遍性；生產(chǎn)具有一定的地方性。

一、食品工程原理的研究內(nèi)容第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日8原料特點(diǎn)⑴熱敏性：如蛋白質(zhì)遇熱容易變性，要求溫度低、時間短。⑵易氧化性：如脂肪成分在高溫下易氧化變質(zhì)，要求少量空氣、O2少，時間短、不銹鋼。⑶易腐敗性：如微生物生長繁殖。產(chǎn)品要求⑴營養(yǎng)衛(wèi)生，色、香、味⑵經(jīng)濟(jì)性工序一個生產(chǎn)過程是由許多生產(chǎn)工序組合而成第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日9從原料到成品（產(chǎn)品）這個過程叫食品的生產(chǎn)過程原料前處理食品加工后處理產(chǎn)品除去雜質(zhì)達(dá)到必要的純度，物理變化過程除物理操作外，生成新的物質(zhì)，化學(xué)變化過程，如食品風(fēng)味形成精制、分離達(dá)必要的純度，物理變化過程食品生產(chǎn)過程包括化學(xué)反應(yīng)過程和物理加工過程。食品工程原理研究：食品生產(chǎn)過程中除化學(xué)反應(yīng)的物理過程。第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日10舉例：全脂乳粉生產(chǎn)的工藝流程F≥12%80～85℃，30sF≥40～45%空氣溫度180～200℃，牛乳溫度40～45℃第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日11再如：大豆萃取法制油的工藝流程大豆→預(yù)處理（篩選、粉碎、去皮、壓片）→浸取（正己烷）→過濾→蒸發(fā)脫溶劑→離心脫膠→堿煉（脫酸）→脫色（白土）→脫臭→…→檢驗(yàn)→成品（產(chǎn)品）第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日12

上述產(chǎn)品的原料形式、加工工藝都有很大的不同，但都包含了流體的輸送、物質(zhì)的分離、加熱等不同的物理操作過程。這些工序就是單元操作。

單元操作原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)是食品工程原理研究的范疇。1、單元操作第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日13均為物理操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。食品生產(chǎn)過程中共有的操作，例如：加熱操作，在奶粉生產(chǎn)中濃縮需要加熱，在大豆油生產(chǎn)中脫臭也需要加熱。設(shè)備可通用。例如上面的奶粉和制油工業(yè)中，雖然生產(chǎn)過程不同，但都可以使用同樣的加熱器進(jìn)行加熱。單元操作的特點(diǎn)第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日14按操作的理論基礎(chǔ)劃分：以動量傳遞理論為基礎(chǔ)——流體輸送、攪拌、沉降、過濾，離心分離以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)——加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)——蒸餾、吸收、吸附、萃取單元操作的分類上述三種理論，我們稱之為“三傳理論”。第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日15舉例名稱原理設(shè)備傳遞原理流體輸送依據(jù)外力的作用將流體從一個設(shè)備輸送到另一個設(shè)備泵風(fēng)機(jī)動量傳遞傳熱使冷熱物料間由于溫度差而發(fā)生熱量傳遞，以改變物料的溫度或相態(tài)的操作換熱器熱量傳遞吸收利用均相氣體混合物在液體溶劑中溶解度的不同以實(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離操作吸收塔（填料）質(zhì)量傳遞精餾利用均相液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同使液體混合物分離的操作蒸餾塔（板式）質(zhì)量傳遞第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日16動量傳遞（momentumtransfer）:流體流動時，其內(nèi)部伴隨著動量傳遞，故流體流動過程也稱為動量傳遞過程。凡遵循流體流動基本規(guī)律的單元操作均可用動量傳遞理論研究熱量傳遞（heartransfer）:物料的加熱或冷卻過程也稱為物體的傳熱過程。凡遵循傳熱基本理論的單元操作均可用熱量傳遞理論研究。質(zhì)量傳遞（masstransfer）:兩相間的傳遞過程稱為質(zhì)量傳遞。凡遵循傳質(zhì)基本理論規(guī)律的單元操作均可用質(zhì)量傳遞理論研究。2、三傳理論第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日17

單元操作和三傳理論都是食品工程技術(shù)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。三傳理論是單元操作的理論基礎(chǔ)；單元操作是三傳理論在生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。有些單元操作都會包含兩種或兩種以上的傳遞理論。單元操作與三傳理論的關(guān)系第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日18茶飲料生產(chǎn)工藝流程

第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日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關(guān)系傳遞速率經(jīng)濟(jì)核算第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日201、物料衡算（materialbalance）

為弄清生產(chǎn)過程中原料、成品及損失的物料數(shù)量，必須進(jìn)行物料衡算。質(zhì)量守恒定律：

在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成各物質(zhì)的質(zhì)量總和。

對于物料衡算來說，則是進(jìn)入與離開某一加工過程的物料質(zhì)量之差等于該過程中積累的物料質(zhì)量。

第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日21物料衡算是質(zhì)量守恒定律的一種表達(dá)形式，即ΣGΙ=ΣG0+ΣGA

式中ΣGΙ-輸入物料的總和，ΣG0-輸出物料的總和，ΣGA-積累的物料量。若積累的物料量為零，即連續(xù)生產(chǎn)或定態(tài)過程，則ΣGΙ=ΣG0第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日22物料衡算的步驟：

1）畫出過程框圖，用進(jìn)入箭頭表示輸入的物料，用引出箭頭表示輸出的物料。在每個箭頭上標(biāo)出物料的名稱，物料量，成分含量，溫度，密度等。所有數(shù)據(jù)都標(biāo)在圖上。2）選擇計(jì)算基準(zhǔn)。多數(shù)情況下，圖中給出一種物料的量，可以以它作為計(jì)算基準(zhǔn)。否則，可指定一種物料量為100kg作基準(zhǔn)。3）作物料衡算。衡算可以是對總量的，也可對某種成分的。第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日23例0-1將含4%脂肪的原料乳通過離心分離得到脂肪含量為0.45%的脫脂乳和脂肪含量為45%的奶油。生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定6h要求處理原料乳35000kg，試求產(chǎn)品脫脂乳和奶油的流量。

以1h原料乳的流量為計(jì)算基準(zhǔn)對整個體系（如圖虛線框所示）進(jìn)行物料衡算。離心機(jī)原料乳35000/6kg/h脂肪4%脫脂乳c

kg/h

脂肪0.45%奶油wkg/h

脂肪45%解：設(shè)脫脂乳的流量為c（kg/h），奶油的流量為w（kg/h）。第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日24對脂肪進(jìn)行物料衡算：進(jìn)入系統(tǒng)的脂肪含量=離開系統(tǒng)的脂肪含量將上兩式聯(lián)立可解得c=5368kg/h，w=465kg/h對脂肪的物料衡算：總物料衡算：第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日25例0-2雪利酒的配制，以下列a、b、c三種原料酒配制含酒精16.0%、糖3.0%的雪利酒。

abc含酒精（%）14.616.717.0含糖（%）0.21.012.0解：以產(chǎn)品雪利酒的量ms=100kg作計(jì)算基準(zhǔn)?；炫溲├?00kg（ms）酒精16%糖3%b,mb,kg酒精16.7%糖1.0%c,mc,kg酒精17%糖12%a,ma,kg酒精14.6%糖0.2%第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日26總物料衡算：ma+mb+mc=100kg對酒精的物料衡算：0.146ma+0.167mb+0.170mc=0.16*100對糖的物料衡算：0.002ma+0.01mb+0.12mc=0.03*100將式（1）、（2）、（3）聯(lián)立可解得：ma=36.8kg;mb=42.4kg;mc=20.8kg.第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日272、能量衡算（energybalance）

能量以各種形式存在，如機(jī)械能、熱能、電磁能、化學(xué)能、原子能等。本課程所用到的能量主要有機(jī)械能和熱能。能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同。動能和勢能的總和能量守恒定律:能量既不會消滅，也不會創(chuàng)生,它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中,能量的總量保持不變。第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日28

能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律，對熱量衡算可以寫成：ΣQΙ=ΣQ0+ΣQL式中，ΣQΙ—隨物料進(jìn)入系統(tǒng)的總熱量，kJ或kw;ΣQ0—隨物料離開系統(tǒng)的總熱量，kJ或kw;ΣQL—向系統(tǒng)周圍散失的熱量，kJ或kw。第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日29

熱量計(jì)算公式

Q=m△H式中，m—物料的質(zhì)量，kg；H—物料的焓，kJ/kg。焓是一個相對量與基準(zhǔn)溫度有關(guān)，一般以0℃為基準(zhǔn)，焓為零。Q=mcp△t式中，m—物料的質(zhì)量，kg；t—溫度，℃(K)；cp—等壓比熱容，kJ／(kg·℃)第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日30例0-3番茄醬的冷卻，將固形物含量為40%的番茄醬以100kg/h的流量輸入冷卻器，使其由90℃有冷卻到20℃，隔著金屬壁冷卻用水由15℃升至25℃，求冷卻水的流量。解：畫出過程框圖以0℃作溫度基準(zhǔn)進(jìn)入系統(tǒng)的熱流量離開系統(tǒng)的熱流量：

番茄醬qm1=100kg/h90℃,w=40%,c115℃水c2qm225℃

20

℃

第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日31因過程在系統(tǒng)中無積累熱量，故，則水的比熱容為J/(kg·K),而番茄醬的比熱容要由其中固形物的比熱容和水的比熱容按照上述計(jì)算。若食品中非脂肪成分的比熱容取837J/(kg·K)，則番茄醬的比熱容：J/(kg·K)因此，冷卻水的流量kg/h第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日32例0-4高壓滅菌鍋中裝有1000罐青豆罐頭。滅菌時罐頭被加熱到100℃，離開滅菌鍋前要求被冷卻到40℃

。已知冷卻水進(jìn)口溫度為15℃

，出口溫度為35℃

，試計(jì)算共需要多少冷卻水。已知青豆罐頭的比熱為4.1kJ/kg·℃,金屬罐的比熱為0.50kJ/kg·℃

，每一金屬罐的重量是60g，罐頭凈重0.45kg。假設(shè)將滅菌鍋鍋壁降到40℃需要1.6×104kJ，且忽略熱量損失。進(jìn)入系統(tǒng)的熱量：金屬罐的熱量=罐的質(zhì)量×比熱×降低的溫度

=1000×0.06×0.50×（100-40）=1.8×103kJ青豆的熱量=1000×0.45×4.1×（100-40）=1.1×105kJ進(jìn)口處冷卻水的能量=w×4.186×（15-40）=-104.6wkJ解：設(shè)需要冷卻水的質(zhì)量為w，以罐頭的最終溫度40℃作溫度基準(zhǔn)第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日33離開系統(tǒng)的熱量：金屬罐的熱量=1000×0.06×0.50×（40-40）=0

kJ青豆的熱量=1000×0.45×4.1×（40-40）=0

kJ出口處冷卻水的能量=w×4.186×（35-40）=-20.9wkJ進(jìn)入系統(tǒng)的總熱量=離開系統(tǒng)的總熱量，即：1800+110000+16000-104.6w=-20.9ww=1527kg第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日34例0-5食物的直接蒸汽加熱，將100kg溫度為5℃的食品物料引入加熱鍋中，通入溫度為120.2℃的水蒸氣直接加熱，最后終溫度為81.2℃，若食品物料的比熱容J/(kg·K)，求蒸汽的消耗量。解：畫出過程框圖以0℃作溫度基準(zhǔn)。水蒸氣冷凝放出凝結(jié)熱后又降溫至81.2℃放熱，兩部分放熱之和可由始、終態(tài)的焓差直接求得。食物+冷凝水81.2℃水蒸氣,x(kg)120.2℃食物,100(kg),5℃第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日35查書末附錄4的飽和蒸氣表，120.2℃水蒸氣的比焓為2709.2kJ/kg,而81.2℃液體水的比焓為339.8kJ/kg。設(shè)蒸汽消耗量為xkg，則蒸汽共放熱而食品物料吸熱：因，則蒸汽消耗量第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日363、物系的平衡關(guān)系(relationshipofsystembalance)平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。

以食鹽的溶解和結(jié)晶為例：食鹽濃度>飽和濃度：結(jié)晶食鹽濃度<飽和濃度：溶解一定溫度下的飽和濃度為該物系的平衡濃度。

平衡關(guān)系可用來判斷過程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能達(dá)到的限度。第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日374、傳遞速率以食鹽的溶解為例：不飽和食鹽溶液：溶解速率大；食鹽濃度高時，溶解速率小。飽和食鹽溶液：溶解速率為零

——平衡狀態(tài)

溶液濃度越是遠(yuǎn)離平衡濃度，其溶解速率就越大；溶液濃度越是接近平衡濃度，其溶解速率就越小。溶液濃度與平衡濃度之差值，可以看作是溶解過程的推動力（drivingforce）。第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日38顆粒大小和攪拌對溶解速率有影響。

原因：由大塊改為許多小快，能使固體食鹽與溶液的接觸面積增大；由不攪拌改為攪拌，能使溶液質(zhì)點(diǎn)對流。其結(jié)果能減小溶解過程的阻力。傳遞速率與推動力成正比，與阻力成反比，即

過程的傳遞速率是決定設(shè)備的重要因素，傳遞速率增大時，設(shè)備尺寸可以變小。第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日39推動力質(zhì)量傳遞的推動力：濃度差（對氣體而言是分壓差）熱量傳遞的推動力：溫度差動量傳遞的推動力：壓強(qiáng)差第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日405、經(jīng)濟(jì)核算(economicevaluations)本課程中，各單元操作的計(jì)算、設(shè)備的選型等工作都將圍繞上述