食品工程原理-緒論

食品工程原理PrinciplesoffoodEngineering第一頁，共六十六頁。食品工業(yè)與食品工程原理食品工業(yè)：將自然界的物質加工成可食用的生活資料的工業(yè)。食品工程：解決實現食品的工業(yè)化生產問題。食品工程原理：研究食品加工中工程技術的基本理論、實踐方法的一門科學，主要解決三傳理論和單元操作的基本問題。第二頁，共六十六頁。1、食品工業(yè)的發(fā)展2、食品工程原理的研究內容3、食品工程原理的基本概念

4、單位與單位換算緒論3第三頁，共六十六頁。.1、食品工業(yè)的誕生1.2、國外的食品工業(yè).3、我國食品工業(yè)的發(fā)展與成就1.4、食品工業(yè)在國民經濟中的地位作用1.5、對食品工程技術人才的需要1、食品工業(yè)的發(fā)展第四頁，共六十六頁。18世紀歐美化學、機械及工程學的發(fā)展，促使食品工業(yè)的誕生18世紀末，英國有以蒸汽機為動力的面粉廠；1810年法國阿培爾發(fā)表“食品貯藏法”，提出排氣、密封和殺菌的基本方法，1829年世界上建成第一個罐頭廠；1872年美國發(fā)明噴霧式奶粉生產工藝，1885年乳品已工業(yè)化生產。1.1、食品工業(yè)的誕生第五頁，共六十六頁。國際食品工業(yè)狀況：世界經濟發(fā)達國家都非常重視農產品加工業(yè)和食品工業(yè)的發(fā)展，均投入大量資金和人力，將現代新的科學技術引入食品工業(yè)領域，建立了現代化的食品工業(yè)體系；食品加工的范圍和深度不斷擴展，利用的科學技術也越來越先進。2005年世界食品工業(yè)銷售額約4萬億美元，其中美國占25、歐洲占20、日本占10；美國、法國、荷蘭、日本等國的食品工業(yè)產值均居制造業(yè)之首，食品工業(yè)是國民經濟的重要支柱產業(yè)。1.2、國外的食品工業(yè)第六頁，共六十六頁。產業(yè)狀況：巴西是南美最大的甜橙種植園、全球最大的橙汁加工國。橙汁出口量占全球橙汁出口量50%，其中冷凍濃縮橙汁出口占國際冷凍濃縮橙汁市場的80%。成功之處：加工轉化率高。2000~2001年巴西甜橙總產量為1448萬噸，其中1081萬噸加工成濃縮汁或原汁，加工率達70%以上。種植加工高度集約化。在巴西圣保羅州及鄰近地區(qū)，年產值超過120億美元；甜橙專業(yè)協(xié)會組織種植、加工，統(tǒng)一面向國內市場和出口。巴西的橙汁加工業(yè)第七頁，共六十六頁。產業(yè)狀況乳品總產量只占世界總量2%，但90%以上產品均出口國外;在全世界115個國家銷售黃油、奶酪、奶粉、乳蛋白等800多種產品。乳制品貿易量約占世界總量的1/3。最成功之處優(yōu)質乳源的建設和管理，如新西蘭有約14,000個農場為全國30多家乳品加工廠供應牛奶。乳品貿易的全球化定位和有序管理。新西蘭的乳業(yè)第八頁，共六十六頁。我國自古有“民以食為天”的諺語，食品消費歷來就備受重視。自給自足，食品消費以直接的農產品消費為主。我國食品加工和保藏的歷史悠久，在生產實踐中積累大量的食品加工經驗，開發(fā)了許多國際知名產品及其生產技術白酒固體發(fā)酵、固態(tài)蒸餾技術；豆豉和醬油的固態(tài)制曲、半固態(tài)發(fā)酵技術；飴糖的麥芽酶解、熬煮濃縮與塑壓成型技術；蔬菜的腌制泡制加工技術；肉類的煙熏保藏技術等。1.3、我國食品工業(yè)的發(fā)展與成就第九頁，共六十六頁。直到19世紀末，才開始建立食品加工廠起步晚發(fā)展慢技術水平低核心技術依靠進口隨著我國經濟的不斷發(fā)展，近年來食品工業(yè)的發(fā)展也非常迅猛。20世紀50年代初以來，我國的食品工業(yè)發(fā)展科分為三個階段。我國近代食品工業(yè)的起步大概比西方國家遲100年10第十頁，共六十六頁。階段1：平穩(wěn)緩慢增長階段（1952~1990年）勞動生產率比較低技術依賴進口食品消費以初級農產品為主國家對食品工業(yè)的發(fā)展不夠重視。11第十一頁，共六十六頁。階段2：食品工業(yè)的覺醒階段（1990~2003年）引進先進技術，新增投資，整體發(fā)展水平突然邁上了一個新臺階。1991年食品工業(yè)的增速與上年同期相比增長95.96%，1991~1997年的6年間，我國食品工業(yè)以每年33.82%的速度在增長。1998~2003年間年均產值增長654.63億元。12第十二頁，共六十六頁。階段3：食品工業(yè)飛速發(fā)展階段（2003年-現在）國家重視，大力支持重點技術研發(fā)。年均增速20%以上。與世界發(fā)達國家差距縮小，部分領域接近國際先進，個別領域達到領先。整體水平仍然較低，與世界先進水平有較大差距，國內市場廣闊，發(fā)展空間巨大。中國食品工業(yè)發(fā)展迅速：已建成了包括食品加工業(yè)、食品制造業(yè)、飲料制造業(yè)和煙草加工業(yè)等四大類、62個小類的現代食品工業(yè)體系。13第十三頁，共六十六頁。目前我國食品工業(yè)主要呈現以下特點：一是主要產品總產量居世界前列。(食用植物油、飲料等，啤酒產量世界第一。)二是產品結構調整取得了進展。各類食品在質量、品種、檔次、功能、及包裝等方面基本滿足了不同層次的需求，新興的方便、休閑、保健、冷凍食品等市場份額繼續(xù)擴大。三是優(yōu)勢企業(yè)實力增強，產業(yè)集中度不斷提高。四是企業(yè)改革取得新進展，科技創(chuàng)新成就喜人。五是高新技術廣泛應用，技術裝備水平提高。信息技術、生物技術、納米技術、新工藝、新材料轉化為新業(yè)態(tài)、新產品。食品工業(yè)，乳品、啤酒、方便面等行業(yè)的裝備技術水平已與世界先進水平同步。14第十四頁，共六十六頁。2016年中國部分大型食品企業(yè)銷售收入中

糧

集

團：645億美元伊利集

團：603億元娃哈哈集團：529億元雙

匯

集

團：518億元第十五頁，共六十六頁。1.4、食品工業(yè)在國民經濟中的地位作用食品工業(yè)已經成為我國國民經濟的重要支柱產業(yè)年份食品工業(yè)總產值（萬億元）占全國工業(yè)總產值的比例（%）19660.06726.420021.089.720052.168.220106.108.8201511.3412.0第十六頁，共六十六頁。溫家寶總理在2002年中國國際農產品深加工--食品工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會上講話：食品工業(yè)是人類的生命產業(yè)，是一個古老而又永恒不衰的常青產業(yè)；食品工業(yè)的現代化水平已經成為反映人民生活質量高低及國家經濟發(fā)展程度的重要標志。我國著名經濟學家于光遠先生將食品工業(yè)稱為“天”工業(yè)：“民以食為天”：質量、安全及數量的重要性；以“天”形容食品工業(yè)的產業(yè)規(guī)模。17第十七頁，共六十六頁。1.5、對食品工程技術人才需要規(guī)模大型化；技術高新化；裝備自動化；產銷國際化；沒有食品工程與食品機械的配套，就沒有食品工業(yè)的現代化。食品工業(yè)發(fā)展趨勢18第十八頁，共六十六頁。1、食品工業(yè)的發(fā)展2、食品工程原理的研究內容3、食品工程原理的基本概念

4、單位與單位換算緒論19第十九頁，共六十六頁。2、食品工程原理的研究內容2.1、課程簡介2.2、研究內容20第二十頁，共六十六頁。課程簡介學時：60學時教材：趙思明.食品工程原理(第二版)，科學出版社，2016.性質

基礎

內容任務工程性、實踐性強專業(yè)基礎課具有橋梁作用高等數學、物理化學、機械制圖等“三傳理論”“單元操作”開發(fā)、設計、操作、強化

開發(fā)：選擇合適的過程及設備（按經濟合理性、技術可行性、污染小、能耗低）設計：選擇設備的型號及主要尺寸（根據工藝對設備的要求）操作：如何進行操作和調節(jié)以適應生產的不同要求強化：改造現有的生產過程和設備以提高效率（包括增產、降耗、節(jié)能）21第二十一頁，共六十六頁。李云飛，葛克山.食品工程原理（第三版），中國農業(yè)大學出版社，2014.劉偉民，趙杰文.食品工程原理，中國輕工業(yè)出版社，2017.馮骉.食品工程原理（第二版），中國輕工業(yè)出版社，2013.楊同舟.食品工程原理（第二版），中國農業(yè)出版社，2011.參考書22第二十二頁，共六十六頁。相關網站23第二十三頁，共六十六頁。食品工業(yè)：利用物理和化學方法將自然界的各種物質加工成食物的工業(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、制糖、制鹽、制茶、卷煙、釀酒、罐頭等二十多個不同行業(yè)。特點：原料來源廣泛；生產具有季節(jié)性；產品銷售具有普遍性；生產具有一定的地方性。

2、食品工程原理的研究內容24第二十四頁，共六十六頁。原料特點⑴熱敏性：如蛋白質遇熱容易變性，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，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。產品要求⑴營養(yǎng)衛(wèi)生，色、香、味⑵經濟性工序一個生產過程是由許多生產工序組合而成25第二十五頁，共六十六頁。從原料到成品（產品）這個過程叫食品的生產過程原料前處理食品加工后處理產品除去雜質達到必要的純度，物理變化過程除物理操作外，生成新的物質，化學變化過程，如食品風味形成精制、分離達必要的純度，物理變化過程食品生產過程包括化學反應過程和物理加工過程。食品工程原理研究：食品生產過程中除化學反應的物理過程。26第二十六頁，共六十六頁。舉例：全脂乳粉生產的工藝流程F≥12%80～85℃，30sF≥40～45%空氣溫度180～200℃，牛乳溫度40～45℃27第二十七頁，共六十六頁。再如：大豆萃取法制油的工藝流程大豆→預處理（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→成品（產品）28第二十八頁，共六十六頁。

上述產品的原料形式、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、設備結構是食品工程原理研究的范疇。1、單元操作29第二十九頁，共六十六頁。均為物理操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質，不改變其化學性質。食品生產過程中共有的操作，例如：加熱操作，在奶粉生產中濃縮需要加熱，在大豆油生產中脫臭也需要加熱。設備可通用。例如上面的奶粉和制油工業(yè)中，雖然生產過程不同，但都可以使用同樣的加熱器進行加熱。單元操作的特點30第三十頁，共六十六頁。按操作的理論基礎劃分：以動量傳遞理論為基礎——流體輸送、攪拌、沉降、過濾，離心分離以熱量傳遞理論為基礎——加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝以質量傳遞理論為基礎——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”。31第三十一頁，共六十六頁。舉例名稱原理設備傳遞原理流體輸送依據外力的作用將流體從一個設備輸送到另一個設備泵風機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現氣體混合物的分離操作吸收塔（填料）質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）質量傳遞32第三十二頁，共六十六頁。動量傳遞（momentumtransfer）:流體流動時，其內部伴隨著動量傳遞，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。質量傳遞（masstransfer）:兩相間的傳遞過程稱為質量傳遞。凡遵循傳質基本理論規(guī)律的單元操作均可用質量傳遞理論研究。2、三傳理論33第三十三頁，共六十六頁。

單元操作和三傳理論都是食品工程技術的理論和實踐基礎。三傳理論是單元操作的理論基礎；單元操作是三傳理論在生產中的具體應用。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系34第三十四頁，共六十六頁。茶飲料生產工藝流程

35第三十五頁，共六十六頁。1、食品工業(yè)的發(fā)展2、食品工程原理的研究內容3、食品工程原理的基本概念

4、單位與單位換算緒論36第三十六頁，共六十六頁。3、食品工程原理的基本概念3.1、物料衡算3.2、能量衡算3.3、物系的平衡關系3.4、傳遞速率3.5、經濟核算37第三十七頁，共六十六頁。3.1、物料衡算（materialbalance）

為弄清生產過程中原料、成品及損失的物料數量，必須進行物料衡算。質量守恒定律：

在化學反應中，參加反應前各物質的質量總和等于反應后生成各物質的質量總和。

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

38第三十八頁，共六十六頁。物料衡算是質量守恒定律的一種表達形式，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)生產或定態(tài)過程，則ΣGΙ=ΣG039第三十九頁，共六十六頁。物料衡算的步驟：

1）畫出過程框圖，用進入箭頭表示輸入的物料，用引出箭頭表示輸出的物料。在每個箭頭上標出物料的名稱，物料量，成分含量，溫度，密度等。所有數據都標在圖上。2）選擇計算基準。多數情況下，圖中給出一種物料的量，可以以它作為計算基準。否則，可指定一種物料量為100kg作基準。3）作物料衡算。衡算可以是對總量的，也可對某種成分的。40第四十頁，共六十六頁。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。生產任務規(guī)定6h要求處理原料乳35000kg，試求產品脫脂乳和奶油的流量。

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

kg/h

脂肪0.45%奶油wkg/h

脂肪45%解：設脫脂乳的流量為c（kg/h），奶油的流量為w（kg/h）。41第四十一頁，共六十六頁。對脂肪進行物料衡算：進入系統(tǒng)的脂肪含量=離開系統(tǒng)的脂肪含量將上兩式聯立可解得c=5368kg/h，w=465kg/h對脂肪的物料衡算：總物料衡算：42第四十二頁，共六十六頁。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：以產品雪利酒的量ms=100kg作計算基準。混配雪利酒100kg（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%43第四十三頁，共六十六頁。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）聯立可解得：ma=36.8kg;mb=42.4kg;mc=20.8kg.44第四十四頁，共六十六頁。3.2、能量衡算（energybalance）

能量以各種形式存在，如機械能、熱能、電磁能、化學能、原子能等。本課程所用到的能量主要有機械能和熱能。能量衡算的依據是能量守恒定律。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化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化和轉移的過程中,能量的總量保持不變。45第四十五頁，共六十六頁。

能量衡算的依據是能量守恒定律，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。46第四十六頁，共六十六頁。

熱量計算公式

Q=m△H式中，m—物料的質量，kg；H—物料的焓，kJ/kg。焓是一個相對量與基準溫度有關，一般以0℃為基準，焓為零。Q=mcp△t式中，m—物料的質量，kg；t—溫度，℃(K)；cp—等壓比熱容，kJ／(kg·℃)47第四十七頁，共六十六頁。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℃作溫度基準進入系統(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

℃

48第四十八頁，共六十六頁。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/h49第四十九頁，共六十六頁。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℃

。已知冷卻水進口溫度為15℃

，出口溫度為35℃

，試計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。假設將滅菌鍋鍋壁降到40℃需要1.6×104kJ，且忽略熱量損失。進入系統(tǒng)的熱量：金屬罐的熱量=罐的質量×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進口處冷卻水的能量=w×4.186×（15-40）=-104.6wkJ解：設需要冷卻水的質量為w，以罐頭的最終溫度40℃作溫度基準50第五十頁，共六十六頁。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=1527kg51第五十一頁，共六十六頁。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。水蒸氣冷凝放出凝結熱后又降溫至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℃52第五十二頁，共六十六頁。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53第五十三頁，共六十六頁。3.3、物系的平衡關系(relationshipofsystembalance)平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現象。

以食鹽的溶解和結晶為例：食鹽濃度>飽和濃度：結晶食鹽濃度<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。

平衡關系可用來判斷過程能否進行，以及進行的方向和能達到的限度。54第五十四頁，共六十六頁。3.4、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）。55第五十五頁，共六十六頁。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，能使溶液質點對流。其結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備的重要因素，傳遞速率增大時，設備尺寸可以變小。56第五十六頁，共六十六頁。推動力質量傳遞的推動力：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：壓強差57第五十七頁，共六十六頁。3.5、經濟核算(economicevaluations)本課程中，各單元操作的計算、設備的選型等工作都將圍繞上述五個方面進行，并以最優(yōu)經濟效益作為最終的設計方案。

在設計具有一定生產能力的設備時，選用不同的材料，不同的設備型式及操作條件，可以提出多種不同的設計方案,但最終應從技術經濟的觀點出發(fā)進行比較。生產費用設備費：設備的造價、操作的難易、耐用年限操作費：人力、水電和燃料的消耗58第五十八頁，共六十六頁。1、食品工業(yè)的發(fā)展2、食品工程原理的研究內容3、食品工程原理的基本概念4、單位與單位換算緒論59第五十九頁，共六十六頁。4、單位與單位換算

基本單位：選擇幾個獨立的物理量，根據方便的原則規(guī)定出它們的單位，這些物理量的單位稱為基本單位。

導出單位：根據基本物理方程由基本單位導出，并給予專有名稱的單位。60第六十頁，共六十六頁。單位制基本單位導出單位物理單位制（CGS制）長度（cm）、質量（g）時間（s）力（dyn）[F]=[ma]=g·cm/s2=dyn絕對單位制（MKS制）長度（m）、質量（kg）時間（s）力（N）