Сырье для пищевых производств как объект биологического происхождения

Введение

Целью преподавания дисциплины “Основы технологии пищевых производств” является изучение закономерностей, лежащих в основе технологических процессов производства пищевых продуктов. Закономерности – теоретические понятия процессов пищевой технологии объясняют сущность получения пищевых продуктов, отличающихся по своей структуре от перерабатываемого сырья.

К задачам дисциплины относятся:

- усвоение теоретических основ технологических процессов производства продуктов питания;

- определение базовых процессов в каждой конкретной технологии;

- изучение взаимосвязей процессов, происходящих при производстве отдельных продуктов питания;

- ознакомление с основными видами оборудования, применяемого для обработки сырья, приготовление полуфабрикатов и получения готовых продуктов питания.

Изучение теоретических закономерностей необходимо, т.к. современные прогрессивные технологии продуктов питания базируются на знании фундаментальных дисциплин. Процессы, происходящие при производстве продуктов питания, возможно познать и регулировать при условии знания законов физики, термодинамики, химии, микробиологии и др.

Знание теоретических основ производства продуктов питания способствует созданию новых эффективных технологических схем переработки сырья, в том числе по безотходной технологии, созданию продуктов питания повышенной пищевой ценности, с регулируемым химическим составом.

Теоретические понятия технологических процессов производства продуктов питания

В основе науки о технологических процессах производства продуктов питания лежат законы природы – закон сохранения массы и закон сохранения энергии. Необходимо помнить, что наряду с этими законами, технологиям производства продуктов питания присущи свои специфические понятия и законы. Пищевые технологии включают комплекс процессов, характерных для каждой конкретной технологии.

По типу переноса и движущейся силе процессы классифицируются на механические, гидромеханические, тепловые и массообменные. Однако для специальных технологий характерны процессы химические, биохимические, микробиологические, теплофизические.

Изучение многих технологических процессов позволило выделить нечто общее, характерное для всех производств. Это – наличие одного из двух возможных видов переноса на каждой стадии превращения сырья в полуфабрикат или конечный продукт. Это перенос энергии и перенос массы.

На примере какого-либо технологического аппарата проследите закон сохранения массы и составьте уравнение материального баланса для технологического аппарата и уравнение неразрывности потока для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию.

Уравнение материального баланса для технологического аппарата примет вид:

åМ_вх = åМ_вых , где М_вх и М_вых – сумма масс продуктов, входящих в аппарат и выходящих из него.

Уравнение энергетического баланса соответственно равно:

åЕ_вх = åЕ_вых, где Е_вх и Е_вых – теплота материалов – энтальпия, а также кинетическая энергия движущихся потоков.

Законы переноса массы и энергии

Экономическая эффективность любого производства зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление действию, или

L = (1/R) D (1.1)

Где L – скорость протекания процесса,

R – сопротивление переносу,

D- движущая сила.

1/R заменим проводимостью К, полученное выражение примет вид

L = K D (1.2)

Это выражение называется основным (общим) кинетическим уравнением.

Для процесса теплопередачи

q = k Dt (1.3)

где q – скорость переноса теплоты, удельный поток, Дж/(м² К с)

k – коэффициент теплопередачи, Дж/(м² К с) или (Вт/м² К)

Dt – движущая сила, т.е. средняя разность температур, К (или ⁰С)

Тепловой поток – это количество теплоты, переносимое через единицу поверхности в единицу времени,

q = Q/Ft (1.4)

где Q – количество теплоты, Дж.

F – площадь поверхности, через которую передается теплота, м² ,

t - время, с.

Для процесса массопередачи удельный поток массы [кг/(м² с)]:

m = K_m DC (1.7)

где K_m – коэффициент массопередачи, м/с

DС – средняя разность концентраций, кг/м³

m = M/Ft (1.5)

где М – количество переносимого вещества, кг,

F – площадь поверхности, через которую осуществляется перенос, м²

t - время, с.

Классификация основных процессов

Все процессы по движущей силе и типу переноса можно разделить следующим образом:

Тип переноса	Движущая сила	Процессы	Технологические операции
Перенос количества движения	Механическая сила, давление	Механические, гидромеханичес-кие	Дробление, резание,сортиро- вание, прессование,фильт-рование и т.д.
Перенос теплоты	Разность температур	Тепловые	Нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация
Перенос массы	Разность концентраций	Массообменные	Сушка, экстракция, адсорбция, абсорбция, кристаллизация, растворение и т. д.

Сырье для пищевых производств как объект биологического происхождения

Сырьем для пищевых производств являются продукты растительного и животного происхождения, относящиеся к органическим веществам. Почти все органические вещества, из которых сконструированы живые организмы, проявляют биологическую активность. Биоорганизмы – открытые системы, они обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.

Вода – наиболее распространенное минеральное вещество в природе. Ее содержимое составляет 70 % от массы большинства организмов. Сильное притяжение между молекулами воды обусловливает свойства воды как растворителя биомолекул. Однако функция воды не сводится к роли простого растворителя.

Понятия “влажности” и “массовой доли влаги” (в %) характеризуют энергетическую ценность материала (сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов). С увеличением содержания воды, уменьшается содержание белков, углеводов, липидов и других веществ, называемых сухими веществами. Масса исследуемого материала принимается за 100 %.

Разделение неоднородных систем

В пищевых производствах многие технологические процессы сопровождаются образованием неоднородных смесей, которые в дальнейшем необходимо разделить.

Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Неоднородные системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть разделены под воздействием механических сил.

Неоднородные смеси отличаются от растворов тем, что имеют две или более фаз, которые отделены друг от друга поверхностью раздела. Одну из фаз, сплошную, называют дисперсионной средой, а другую, мелкораздробленную и распределенную в первой – дисперсной фазой.

В зависимости от вида дисперсионной среды различают неоднородные смеси, жидкие и газовые.

Дисперсионная Дисперсная	Неоднородные системы
среда	фаза
Жидкость	Твердое тело	Суспензии (грубые, тонкие,мути, коллоидные растворы)
Жидкость	Жидкость	Эмульсии
Жидкость	Газ	Пены
Газ	Твердое тело	Пыли
Газ	Жидкость	Туманы

Разделение неоднородных систем происходит под действием силы тяжести, если система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна, это – разделение грубых суспензий, промышленных пылей.

Для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмульсий применяют центробежную силу.

Фильтрование

Процесс разделения неоднородных систем за счет «просеивания» их через фильтрующую перегородку называют фильтрованием. Эти процессы используют для разделения жидких и газовых систем. Движущей силой является сила тяжести, фильтрование можно осуществлять и в центробежном поле.

Эффект разделения – это отношение количества компонента, выделенного из дисперсионной среды, к начальному его количеству в смеси:

e_р = G_o/G_н 100 % , (1.6)

где G_o – количество осадка, кг

G_н – количество дисперсной фазы в начальной смеси, кг

Эффект разделения в различных отраслях промышленности называют по- разному. При оценке качества циклонов его называют КПД циклона, при очистке сточных вод - эффектом очистки, при сепарировании молока – степенью обезжиривания молока и т.п..

Кроме огромной роли в основных технологических процессах процессы разделения неоднородных систем обеспечивают защиту окружающей среды от вредных выбросов в водные и воздушные бассейны.

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перегородки. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести – силы гидростатического давления (фильтрование в воронке). В промышленности разности давлений можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны фильтрата.

В первом случае движущая сила тем больше, чем выше избыточное давление в герметически закрытом аппарате, куда подается неоднородная смесь:

∆Р = Р_изб.- Р_атм.

Физически нет предела возможному увеличению избыточного давления, т.е. lim ∆Р = Р_изб.- Р_атм.

Р_изб. - ∞

Принимая Р_атм.= 10⁵Па, получим lim ∆Р изб. ∞

Следовательно, этот способ фильтрования обеспечивает возможность получения неограниченно большой движущей силой.

Во втором случае движущая сила тем больше, чем меньше остаточное давление Р_вак.

∆Р = Р_атм.- Р_вак., если Р_вак.=0, то lim = Р_{атм. .}- Р_вак.= Р_атм.=10⁵Па

Р_вак.- 0

Следовательно, движущая сила при фильтровании за счет создания вакуума теоретически не может превышать 10⁵Па, а на практике и того меньше, так как получение глубокого вакуума связано с большими затратами. Но фильтрование под вакуумом получило распространение в промышленности, это объясняется возможностью создания непрерывного процесса, так как слой осадка фильтруется со стороны атмосферного давления и может легко удаляться.

Осаждение

Осаждение в поле гравитации ( отстаивание) под действием силы тяжести используют для разделения суспензий, эмульсий, дымов и пылей.

Для осаждения в поле гравитации применяют отстойники – периодического и непрерывного действия. Для гравитационных отстойников характерны громоздкость и длительность пребывания суспензии в аппарате. Например, отстойники для очистки сатурационного сока на сахарных заводах имеют диаметр 4-5м при высоте 4-6,5м. Время пребывания сока в таких аппаратах около 1,5ч. Это связано с малой скоростью осаждения, которая зависит, например, от вязкости жидкости и размеров осаждаемых частиц. Для ускорения процесса осаждения прибегают к нагреванию смеси перед отстаиванием, а для увеличения размера частиц прибегают к их коагуляции – объединению нескольких частиц в одну за счет добавления коагулянтов (растворимых в воде солей – электролитов).

Другой метод агрегирования мелких частиц – флокуляция – добавление в суспензию небольшого количества вещества, которое, адсорбируясь на поверхности твердых частиц в суспензии, приводит к их смешению между собой.

Для разделения неоднородных смесей используют центрифуги, циклоны, гидроциклоны.

Центрифуги.На предприятиях пищевой промышленности наибольшее распространение получило отстойная центрифуга периодического действия. Такие центрифуги применяются для разделения смесей, содержащих малое количество твердой фазы.

Продолжительность работы цикла центрифуги состоит из четырех периодов:

τ_ц= τ_п+τ₀ +τ_т +τ_р,

где τ_п – период пуска, разгона до рабочей скорости вращения, с;

τ₀ – период отстаивания, с;

τ_т – период торможения, с;

τ_р – период удаления осадка, с.

В этом цикле τ₀ – полезное время, когда происходит разделение. Все остальные периоды – вспомогательные.

Эффективность цикла оценивается коэффициентом использования центрифуги: φ = τ_0/ τ_ц

Циклоны.Аппараты для разделения газовых неоднородных систем, в которых используется центробежная сила, возникающая за счет вращения потока. В циклонах нет вращающихся частей. Поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате. Во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, под действием которой частица движется от центра к стенке аппарата со скоростью, равной скорости осаждения.

Для получения достаточной для очистки газа (жидкости) центробежной силы необходимо поддерживать высокую скорость потока на входе в аппарат.