食品工程原理-绪论.ppt

食品工程原理 PrinciplesoffoodEngineering 食品工业与食品工程原理食品工业 将自然界的物质加工成可食用的生活资料的工业 食品工程 解决实现食品的工业化生产问题 食品工程原理 研究食品加工中工程技术的基本理论 实践方法的一门科学 主要解决三传理论和单元操作的基本问题 3 1 食品工业的发展2 食品工程原理的研究内容3 食品工程原理的基本概念4 单位与单位换算 绪论 1 食品工业的诞生1 2 国外的食品工业 3 我国食品工业的发展与成就1 4 食品工业在国民经济中的地位作用1 5 对食品工程技术人才的需要 1 食品工业的发展 18世纪欧美化学 机械及工程学的发展 促使食品工业的诞生18世纪末 英国有以蒸汽机为动力的面粉厂 1810年法国阿培尔发表 食品贮藏法 提出排气 密封和杀菌的基本方法 1829年世界上建成第一个罐头厂 1872年美国发明喷雾式奶粉生产工艺 1885年乳品已工业化生产 1 1 食品工业的诞生 国际食品工业状况 世界经济发达国家都非常重视农产品加工业和食品工业的发展 均投入大量资金和人力 将现代新的科学技术引入食品工业领域 建立了现代化的食品工业体系 食品加工的范围和深度不断扩展 利用的科学技术也越来越先进 2005年世界食品工业销售额约4万亿美元 其中美国占25 欧洲占20 日本占10 美国 法国 荷兰 日本等国的食品工业产值均居制造业之首 食品工业是国民经济的重要支柱产业 1 2 国外的食品工业 产业状况 巴西是南美最大的甜橙种植园 全球最大的橙汁加工国 橙汁出口量占全球橙汁出口量50 其中冷冻浓缩橙汁出口占国际冷冻浓缩橙汁市场的80 成功之处 加工转化率高 2000 2001年巴西甜橙总产量为1448万吨 其中1081万吨加工成浓缩汁或原汁 加工率达70 以上 种植加工高度集约化 在巴西圣保罗州及邻近地区 年产值超过120亿美元 甜橙专业协会组织种植 加工 统一面向国内市场和出口 巴西的橙汁加工业 产业状况乳品总产量只占世界总量2 但90 以上产品均出口国外 在全世界115个国家销售黄油 奶酪 奶粉 乳蛋白等800多种产品 乳制品贸易量约占世界总量的1 3 最成功之处优质乳源的建设和管理 如新西兰有约14 000个农场为全国30多家乳品加工厂供应牛奶 乳品贸易的全球化定位和有序管理 新西兰的乳业 我国自古有 民以食为天 的谚语 食品消费历来就备受重视 自给自足 食品消费以直接的农产品消费为主 我国食品加工和保藏的历史悠久 在生产实践中积累大量的食品加工经验 开发了许多国际知名产品及其生产技术白酒固体发酵 固态蒸馏技术 豆豉和酱油的固态制曲 半固态发酵技术 饴糖的麦芽酶解 熬煮浓缩与塑压成型技术 蔬菜的腌制泡制加工技术 肉类的烟熏保藏技术等 1 3 我国食品工业的发展与成就 10 直到19世纪末 才开始建立食品加工厂 起步晚发展慢技术水平低核心技术依靠进口随着我国经济的不断发展 近年来食品工业的发展也非常迅猛 20世纪50年代初以来 我国的食品工业发展科分为三个阶段 我国近代食品工业的起步大概比西方国家迟100年 11 阶段1 平稳缓慢增长阶段 1952 1990年 劳动生产率比较低技术依赖进口食品消费以初级农产品为主国家对食品工业的发展不够重视 12 阶段2 食品工业的觉醒阶段 1990 2003年 引进先进技术 新增投资 整体发展水平突然迈上了一个新台阶 1991年食品工业的增速与上年同期相比增长95 96 1991 1997年的6年间 我国食品工业以每年33 82 的速度在增长 1998 2003年间年均产值增长654 63亿元 13 阶段3 食品工业飞速发展阶段 2003年 现在 国家重视 大力支持重点技术研发 年均增速20 以上 与世界发达国家差距缩小 部分领域接近国际先进 个别领域达到领先 整体水平仍然较低 与世界先进水平有较大差距 国内市场广阔 发展空间巨大 中国食品工业发展迅速 已建成了包括食品加工业 食品制造业 饮料制造业和烟草加工业等四大类 62个小类的现代食品工业体系 14 目前我国食品工业主要呈现以下特点 一是主要产品总产量居世界前列 食用植物油 饮料等 啤酒产量世界第一 二是产品结构调整取得了进展 各类食品在质量 品种 档次 功能 及包装等方面基本满足了不同层次的需求 新兴的方便 休闲 保健 冷冻食品等市场份额继续扩大 三是优势企业实力增强 产业集中度不断提高 四是企业改革取得新进展 科技创新成就喜人 五是高新技术广泛应用 技术装备水平提高 信息技术 生物技术 纳米技术 新工艺 新材料转化为新业态 新产品 食品工业 乳品 啤酒 方便面等行业的装备技术水平已与世界先进水平同步 2016年中国部分大型食品企业销售收入 中粮集团 645亿美元伊利集团 603亿元娃哈哈集团 529亿元双汇集团 518亿元 1 4 食品工业在国民经济中的地位作用 食品工业已经成为我国国民经济的重要支柱产业 17 温家宝总理在2002年中国国际农产品深加工 食品工业发展战略研讨会上讲话 食品工业是人类的生命产业 是一个古老而又永恒不衰的常青产业 食品工业的现代化水平已经成为反映人民生活质量高低及国家经济发展程度的重要标志 我国著名经济学家于光远先生将食品工业称为 天 工业 民以食为天 质量 安全及数量的重要性 以 天 形容食品工业的产业规模 18 1 5 对食品工程技术人才需要 规模大型化 技术高新化 装备自动化 产销国际化 没有食品工程与食品机械的配套 就没有食品工业的现代化 食品工业发展趋势 19 1 食品工业的发展2 食品工程原理的研究内容3 食品工程原理的基本概念4 单位与单位换算 绪论 20 2 食品工程原理的研究内容 2 1 课程简介2 2 研究内容 21 课程简介 学时 60学时教材 赵思明 食品工程原理 第二版 科学出版社 2016 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 22 李云飞 葛克山 食品工程原理 第三版 中国农业大学出版社 2014 刘伟民 赵杰文 食品工程原理 中国轻工业出版社 2017 冯骉 食品工程原理 第二版 中国轻工业出版社 2013 杨同舟 食品工程原理 第二版 中国农业出版社 2011 参考书 23 中国食品论坛中国食品工程网食品商务网1 html食品论坛 相关网站 24 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 2 食品工程原理的研究内容 25 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 26 从原料到成品 产品 这个过程叫食品的生产过程 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 27 举例 全脂乳粉生产的工艺流程 F 12 80 85 30s F 40 45 空气温度180 200 牛乳温度40 45 28 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 29 上述产品的原料形式 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 30 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 31 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 32 举例 33 动量传递 momentumtransfer 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 heartransfer 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 masstransfer 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 34 单元操作和三传理论都是食品工程技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 35 茶饮料生产工艺流程 36 1 食品工业的发展2 食品工程原理的研究内容3 食品工程原理的基本概念4 单位与单位换算 绪论 37 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 物系的平衡关系3 4 传递速率3 5 经济核算 38 3 1 物料衡算 materialbalance 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 39 物料衡算是质量守恒定律的一种表达形式 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 40 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 41 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 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 42 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 43 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 abc含酒精 14 616 717 0含糖 0 21 012 0 解 以产品雪利酒的量ms 100kg作计算基准 44 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 45 3 2 能量衡算 energybalance 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 46 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 47 热量计算公式Q m H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 mcp t式中 m 物料的质量 kg t 温度 K cp 等压比热容 kJ kg 48 例0 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 49 因过程在系统中无积累热量 故 则水的比热容为J kg K 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837J kg K 则番茄酱的比热容 J kg K 因此 冷却水的流量kg h 50 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15 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 6 104kJ 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 8 103kJ青豆的热量 1000 0 45 4 1 100 40 1 1 105kJ进口处冷却水的能量 w 4 186 15 40 104 6wkJ 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 51 离开系统的热量 金属罐的热量 1000 0 06 0 50 40 40 0kJ青豆的热量 1000 0 45 4 1 40 40 0kJ出口处冷却水的能量 w 4 186 35 40 20 9wkJ 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 52 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 kg K 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 两部分放热之和可由始 终态的焓差直接求得 53 查书末附录4的饱和蒸气表 120 2 水蒸气的比焓为2709 2kJ kg 而81 2 液体水的比焓为339 8kJ kg 设蒸汽消耗量为xkg 则蒸汽共放热而食品物料吸热 因 则蒸汽消耗量 54 3 3 物系的平衡关系 relationshipofsystembalance 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 55 3 4 传递速率 以食盐的溶解为例 不饱和食盐溶液 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 drivingforce 56 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