食品工程原理绪论.pptx

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,食品工程原理,Principles of food Engineering,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。,20002001,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,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。,10,我国近代食品工业的起步大概比西方国家迟,100,年,阶段,1,：平稳缓慢增长阶段（,19521990,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,阶段,2,：食品工业的觉醒阶段（,19902003,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%,，,19911997,年的,6,年间，我国食品工业以每年,33.82%,的速度在增长。,19982003,年间年均产值增长,654.63,亿元,。,12,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。,13,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。,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。,14,20,16,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：,60,3,亿元,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,年份,食品工业,总产值,（,万亿元,）,占全国工业总产值的,比例,（,%,）,1966,0.,0,67,26.4,2002,1.08,9.7,2005,2.16,8.2,20,10,6.10,8.8,20,15,11.34,12.0,17,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,2,、食品工程原理的研究内容,2.1,、课程简介,2.2,、研究内容,20,21,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,bbs.tech-,中国食品论坛,中国食品工程网,。,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、,O,2,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,F12%,80,85,，,30s,F40,45%,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,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,33,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,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,3,、食品工程原理的基本概念,37,3.1,、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,（,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。,39,物料衡算是质量守恒定律的一种表达形式，即,G,=G,0,+G,A,式中,G,-,输入物料的总和，,G,0,-,输出物料的总和，,G,A,-,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,=G,0,40,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。,离心机,原料乳,35000/6 kg/h,脂肪,4%,脱脂乳,c,kg/h,脂肪,0.45%,奶油,w kg/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,）,。,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=5368,kg/h,，,w=465,kg/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。,a b c,含酒精（,%,）,14.6 16.7 17.0,含 糖（,%,）,0.2 1.0 12.0,解：,以产品雪利酒的量,m,s,=100kg,作计算基准。,混 配,雪利酒,100kg,（,m,s,）,酒精,16%,糖,3%,b,m,b,kg,酒精,16.7%,糖,1.0%,c,m,c,kg,酒精,17%,糖,12%,a,m,a,kg,酒精,14.6%,糖,0.2%,44,总物料衡算：,m,a,+m,b,+m,c,=100kg,对酒精的物料衡算：,0.146m,a,+0.167m,b,+0.170m,c,=0.16*100,对糖的物料衡算：,0.002m,a,+0.01m,b,+0.12m,c,=0.03*100,将式（,1,）、（,2,）、（,3,）联立可解得：,m,a,=36.8kg;m,b,=42.4kg;m,c,=20.8kg.,45,3.2,、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,=Q,0,+Q,L,式中，,Q,随物料进入系统的总热量，,kJ,或,kw;,Q,0,随物料离开系统的总热量，,kJ,或,kw;,Q,L,向系统周围散失的热量，,kJ,或,kw,。,47,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=mc,p,t,式中，,m,物料的质量，,kg,；,t,温度，,(K),；,c,p,等压比热容，,k,J,(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：,番茄酱,q,m1,=100kg/h,90,w=40%,c,1,15,水,c,2,q,m2,25,20,49,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,837 J/(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,1.6,10,4,kJ,，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,）,=,1.8,10,3,kJ,青豆的热量,=,1000 0.45 4.1,（,100-40,）,=,1.1,10,5,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,51,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,）,=,-20.9w kJ,进入系统的总热量,=,离开系统的总热量,，,即：,1800+110000+16000-,104.6w=-20.9w,w=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。,食物,+,冷凝水,81.2,水蒸气,x(kg),120.2,食物,100(kg),5,53,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,54,3.3,、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。,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（,driving force,）,。,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。,57,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,58,3.5,、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。,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,59,1,、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,60,4,、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。,61,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/s,2,=,dyn,绝对单位制,（,MKS,制）,长度（,m,）、质量（,kg,）时间（,s,）,力（,N,）,F,=,ma,=k,g,m/s,2,=,N,工程单位制,长度（,m,）、力（,kgf,）,时间（,s,）,质量,m,=,F,/,a,=,kgf,s,2,/m,国际单位制,（,SI,制）,长度（,m,）、质量（,kg,）时间（,s,）、温度（,K,）,物质的量（,mol,）,力（,N,）,F,=,ma,=k,g,m/s,2,=,N,在解题时要注意公式中的物理量所要求的单位,62,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,以及其关系,单元操作中常见基本概念（,物料衡算、能量衡,算,、物系的平衡关系、传递速率、经济核算,）,单位的正确使用、单位换算。,63,思考题,1.,什么是单元操作？列举食品加工中常见的单元操作。,2,“三传理论”指什么？与单元操作有何关系？,3.,在空气预热器中用蒸汽将流量,1000kg/h,，,30,的空气预热至,66,，所用加热蒸汽温度,143.3,，离开预热器的温度为,138.8,，求蒸汽的消耗量。,空气比热容,1.005 kJ/(kg,),水蒸汽比热容,4.287 kJ/(kg,）,64,预习任务,第一章 流体流动,第一节 概述,第二节 静止流体的基本规律,第三节 流体在管道内的流动,理论教学内容与学时分配,章节,内容,学 时,绪 论,绪 论,2,第一章,流体流动,9,第二章,流体输送机械,4,第三章,非均相物系的分离,7,第四章,粉碎、筛分、混合、乳化,自学,第五章,流态化与气力输送,自学,第六章,传热,12,第七章,制冷与食品冷冻,4,第八章,蒸发,5,第九章,传质原理与吸收,4,第十章,蒸馏,8,第十一章,干燥,7,第十二章,萃取,自学,第十三章,膜分离,2,合计,64,