食品工程原理-绪论

食品工程原理PrinciplesoffoodEngineering第一页，共六十六页。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。第二页，共六十六页。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3第三页，共六十六页。.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、食品工业的发展第四页，共六十六页。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、食品工业的诞生第五页，共六十六页。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、国外的食品工业第六页，共六十六页。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。巴西的橙汁加工业第七页，共六十六页。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。新西兰的乳业第八页，共六十六页。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第九页，共六十六页。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10第十页，共六十六页。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。11第十一页，共六十六页。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。12第十二页，共六十六页。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。13第十三页，共六十六页。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。14第十四页，共六十六页。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：518亿元第十五页，共六十六页。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年份食品工业总产值（万亿元）占全国工业总产值的比例（%）19660.06726.420021.089.720052.168.220106.108.8201511.3412.0第十六页，共六十六页。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。17第十七页，共六十六页。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18第十八页，共六十六页。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19第十九页，共六十六页。2、食品工程原理的研究内容2.1、课程简介2.2、研究内容20第二十页，共六十六页。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）21第二十一页，共六十六页。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22第二十二页，共六十六页。相关网站23第二十三页，共六十六页。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24第二十四页，共六十六页。原料特点⑴热敏性：如蛋白质遇热容易变性，要求温度低、时间短。⑵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。⑶易腐败性：如微生物生长繁殖。产品要求⑴营养卫生，色、香、味⑵经济性工序一个生产过程是由许多生产工序组合而成25第二十五页，共六十六页。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。26第二十六页，共六十六页。举例：全脂乳粉生产的工艺流程F≥12%80～85℃，30sF≥40～45%空气温度180～200℃，牛乳温度40～45℃27第二十七页，共六十六页。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）28第二十八页，共六十六页。

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29第二十九页，共六十六页。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30第三十页，共六十六页。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”。31第三十一页，共六十六页。举例名称原理设备传递原理流体输送依据外力的作用将流体从一个设备输送到另一个设备泵风机动量传递传热使冷热物料间由于温度差而发生热量传递，以改变物料的温度或相态的操作换热器热量传递吸收利用均相气体混合物在液体溶剂中溶解度的不同以实现气体混合物的分离操作吸收塔（填料）质量传递精馏利用均相液体混合物中各组分的挥发度不同使液体混合物分离的操作蒸馏塔（板式）质量传递32第三十二页，共六十六页。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33第三十三页，共六十六页。

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34第三十四页，共六十六页。茶饮料生产工艺流程

35第三十五页，共六十六页。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36第三十六页，共六十六页。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37第三十七页，共六十六页。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。

38第三十八页，共六十六页。物料衡算是质量守恒定律的一种表达形式，即ΣGΙ=ΣG0+ΣGA

式中ΣGΙ-输入物料的总和，ΣG0-输出物料的总和，ΣGA-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ΣGΙ=ΣG039第三十九页，共六十六页。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。40第四十页，共六十六页。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。离心机原料乳35000/6kg/h脂肪4%脱脂乳c

kg/h

脂肪0.45%奶油wkg/h

脂肪45%解：设脱脂乳的流量为c（kg/h），奶油的流量为w（kg/h）。41第四十一页，共六十六页。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：42第四十二页，共六十六页。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。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第四十三页，共六十六页。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.44第四十四页，共六十六页。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。45第四十五页，共六十六页。

能量衡算的依据是能量守恒定律，对热量衡算可以写成：ΣQΙ=ΣQ0+ΣQL式中，ΣQΙ—随物料进入系统的总热量，kJ或kw;ΣQ0—随物料离开系统的总热量，kJ或kw;ΣQL—向系统周围散失的热量，kJ或kw。46第四十六页，共六十六页。

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·℃)47第四十七页，共六十六页。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：

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

20

℃

48第四十八页，共六十六页。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/h49第四十九页，共六十六页。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50第五十页，共六十六页。离开系统的热量：金属罐的热量=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）=-20.9wkJ进入系统的总热量=离开系统的总热量，即：1800+110000+16000-104.6w=-20.9ww=1527kg51第五十一页，共六十六页。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。食物+冷凝水81.2℃水蒸气,x(kg)120.2℃食物,100(kg),5℃52第五十二页，共六十六页。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53第五十三页，共六十六页。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。54第五十四页，共六十六页。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）。55第五十五页，共六十六页。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。56第五十六页，共六十六页。推动力质量传递的推动力：浓度差（对气体而言是分压差）热量传递的推动力：温度差动量传递的推动力：压强差57第五十七页，共六十六页。3.5、经济核算(economicevaluations)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。生产费用设备费：设备的造价、操作的难易、耐用年限操作费：人力、水电和燃料的消耗58第五十八页，共六十六页。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59第五十九页，共六十六页。4、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。60第六十页，共六十六页。单位制基本单位导出单位物理单位制（CGS制）长度（cm）、质量（g）时间（s）力（dyn）[F]=[ma]=g·cm/s2=dyn绝对单位制（MKS制）长度（m）、质量（kg）时间（s）力（N）