Giáo trình Kĩ thuật thực phẩm 1 (Nghề: Công nghệ thực phẩm - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng cộng đồng Đồng Tháp

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP
TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP

GIÁO TRÌNH
(Ban hành kèm theo Quyết định số
/QĐ-CĐCĐ ngày
tháng
năm 2017
của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp)

MÔN HỌC: KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1
NGÀNH, NGHỀ: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Đồng Tháp, năm 2017


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép
dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trìn này được biên soạn theo hướng tích hợp kiến thức và kỹ năng cần có
của nghề cơng nghệ thực phẩm. Giáo trình đã cập nhật kiến thức tổng quát về cân bằng
vật chất và cân bằng năng lượng trong chế biến thực phẩm.
Để hoàn thiện giáo trình này tơi đã nhận được ý kiến đóng góp của các cán bộ
kỹ thuật, công ty và doanh nghiệp, quý thầy cô và Lãnh đạo Trường Cao đẳng Cộng
đồng Đồng Tháp.

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến các cán bộ kỹ thuật, các công ty và doanh nghiệp,
Lãnh đạo Trường và q thầy cơ đã tham gia đóng góp ý kiến để giúp tơi hồn thành
giáo trình này.
Trong q trình biên soạn chắc chắn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp, hỗ trợ từ các cán bộ kỹ thuật, các công ty và
doanh nghiệp, đồng nghiệp để giáo trình được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Đồng Tháp, ngày 15 tháng 8 năm 2017
Chủ biên

Trần Hồng Tâm

i


MỤC LỤC



Trang
LỜI GIỚI THIỆU ...........................................................................................................i
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1 .........................................1
Chƣơng 1: ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN ....................................................................2
1. Định nghĩa một số thuật ngữ .......................................................................................2
2. Các hệ thống đo đạt: ....................................................................................................2
3. Hệ thống đơn vị quốc tế SI ..........................................................................................2
4. Chuyển đổi đơn vị .......................................................................................................3
CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ......................................................................7

1. Khái niệm cân bằng vật chất: ......................................................................................7
2. Các nguyên tắc cơ bản .................................................................................................7
CHƢƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG .............................................................18
1. Các nguyên tắc chung:...............................................................................................18
2. Các thuật ngữ năng lượng..........................................................................................18
3. Các đặc tính của hơi bão hoà và hơi quá nhiệt ..........................................................21
4. Cân bằng năng lượng .................................................................................................24
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................33

ii


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1
Tên mơn học/mô đun: Kĩ thuật thực phẩm 1
Mã môn học, mô đun: CCN 202
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học/ mơ đun:

- Vị trí: Mơn cơ sở ngành.
- Tính chất: Mơn bắt buộc.
- Ý nghĩa và vai trị của mơn học/mơ đun: Mơn học trang bị kiến thức cơ bản về cân
bằng vật chất và cân bằng năng lượng dùng trong chế biến thực phẩm.
Mục tiêu của môn học/ mô đun:
- Về kiến thức: Giúp sinh viên
+ Biết được các khái niệm về đơn vị và thứ nguyên.
+ Hiểu được các nguyên lý cơ bản của cân bằng vật chất và năng lượng trong
quá trình chế biến thực phẩm.
+ Trình bày được các khái niệm cơ sở của q trình truyền khối (khuếch tán,
trích lý, thẩm thấu) trong thực phẩm.
- Về kỹ năng:
+ Tính tốn được thành phần khối lượng, năng lượng trong chế biến thực

phẩm.
+ Phân tích và đánh giá tác động của q trình truyền khối (khuếch tán, trích
ly, thẩm thấu) lên chất lượng sản phẩm và hiệu quả làm việc trong chế biến thực phẩm.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Khả năng giao tiếp, có thể làm việc độc lập và làm việc nhóm hiệu quả.
+ Trung thực, kỹ luật, tinh thần trách nhiệm, đạo đức nghề nghiệp và khả năng
thích nghi.
Nội dung của mơn học/mơ đun:
Thời gian (giờ)
Số TT

Tên chƣơng, mục

Thực hành,
Tổng số Lý thuyết thínghiệm, thảo Kiểm tra
luận, bài tập

1

Chương 1: Đơn vị và thứ nguyên

9

6

2

1

2

Chương 2: Cân bằng vật chất

13

10

2

1

3

Chương 3: Cân bằng năng lượng

38

11

26

1

60

27

30

3

Cộng

1


Chƣơng 1: ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN

Mã Chƣơng: 1
Giới thiệu: Kiến thức cơ bản về các hệ thống đo lường đang sử dụng trên thế giới và
các đơn vị đo lường thường dùng trong kỹ thuật.
Mục tiêu: Trình bày các hệ thống đơn vị và biết chuyển đổi giữa các hệ thống đơn vị.
1. Định nghĩa một số thuật ngữ
- Thứ nguyên (Dimension): được dùng để định rỏ một tính chất vật lý xét đến.
Ví dụ: thời gian, khoảng cách, khối lượng.
- Đơn vị (Unit): được dùng để định rõ độ lớn hoặc kích cỡ của thứ nguyên xét
đến. Ví dụ: m cho chiều dài, kg cho khối lượng.
- Đơn vị cơ bản (Base unit): là các đơn vị độc lập thứ nguyên. Nó được dùng
để định rỏ chỉ một thứ nguyên. Ví dụ: các đơn vị của chiều dài, khối lượng và thời
gian.
- Đơn vị chuyển hoá (Derived units): là một hỗn hợp của các thứ nguyên khác
nhau. Ví dụ: đơn vị của lực bao gồm thứ nguyên của khối lượng, chiều dài và thời
gian.
* Nhƣ vậy:
+ Thứ nguyên: là khái niệm cơ bản để đo lường như: công, diện tích, vận tốc,
khối lượng...
+ Đơn vị: là khái niệm để diễn tả thứ nguyên như: kg, m...
2 Các hệ thống đo đạt:
Có 3 hệ thống đo đạc sử dụng phổ biến trên thế giới là:
- Hệ AES (American Engineering System): là hệ thống do lường Anh-Mỹ.

- Hệ CGS (viết tắt của 3 đơn vị cơ bản là: cm, g, s).
- Hệ SI (cải tiến của hệ CGS) (1960): hệ thống đo lường này được sử dụng
phổ biến trên thế giới hiện nay.
3 Hệ thống đơn vị quốc tế SI
3.1 Các đơn vị trong hệ SI và ký hiệu của chúng
Hệ đo lường quốc tế SI: là hệ đo lường được sử dụng rộng rãi nhất. Nó được
sử dụng trong hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của
phần lớn các nước trên thế giới.
* Một số đơn vị cơ bản trong hệ đo lường quốc tế SI:
- Đơn vị đo chiều dài: mét (m)

2


- Đơn vị đo khối lượng: kilogam (kg)
- Đơn vị đo thời gian: giây (s)
- Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe (A)
- Đơn vị đo nhiệt độ độ: Celsius (oC) hay Kelvin (K)
3.2 Một số điều cần chú ý khi sử dụng hệ thống đơn vị SI
Điểm chủ yếu của hệ SI là biểu thức của bất kỳ thứ nguyên trong các thuật
ngữ đều có đơn vị cơ bản là: mét, kilogam và giây.
Nhiều đại lượng vật lý đã được qui ước tên, cũng có thể được biểu diễn trong
các số hạn của các đơn vị cơ bản khi được sử dụng trong một phương trình thứ
nguyên. Khi sử dụng đúng, tính liên kết của SI đảm bảo tính chắc chắn thứ nguyên,
khi tất cả các đại lượng sử dụng cho sự thay đổi vào trong một phương trình là các đơn
vị SI.
4. Chuyển đổi đơn vị
4.1 Phƣơng trình thứ nguyên (Dimensional Equation)
Một phương trình mà chứa cả số và đơn vị của nó được gọi là một phương
trình thứ nguyên.

Các đơn vị trong một phương trình thứ nguyên được xử lý giống như các số
hạng đại số. Tất cả các phương trình tốn học thực hiện trên các chữ số cũng phải thực
hiện trên các đơn vị tương ứng của nó.
Ví dụ:

4m2  16m 2

 J  kg  K 
J 
 10kg 5K   5105
  250J
 kg  K 
 kg  K 


và 5

4.2 Chuyển đổi đơn vị bằng cách dùng phƣơng trình thứ nguyên
Xác định các hệ số chuyển đổi thích hợp, để sử dụng trong sự chuyển đổi các
đơn vị được dễ dàng bởi phương trình thứ nguyên.
Trình tự sau đây có thể được sử dụng để thành lập phương trình thứ nguyên
cho sự chuyển đổi:
(1) Đặt các đơn vị của đáp số phía bên trái của phương trình.
(2) Số đang được biến đổi và đơn vị của nó là sự đưa vào đầu tiên phía bên
phải của phương trình.
(3) Thành lập các hệ số chuyển đổi như một tỷ lệ.

3

(4) Nhân liên tục các các hệ số chuyển đổi chẳn hạn như: các đơn vị ban đầu
được rút gọn một cách có hệ thống bởi sự khử và thay thế vào chổ cũ với các đơn vị
thích hợp.

Ví dụ 1.1:
Chuyển đổi BTU/(lb. oF) sang J/(g . K).
Giải

J
BTU

 hệ số chuyển đổi thích hợp
g  K lb 0 F
Tử số J bên trái tương ứng với BTU phía bên phải của phương trình. Hệ số
chuyển đổi là 1055 J/BTU. Vì đơn vị thích hợp có J trong tử số nên hệ số chuyển đổi
phải có J trong tử số.
Hệ số 9,48 x 104 BTU/J có được từ tra bảng, nhưng sẽ được đưa vào là
J/9,48 x 104 BTU trong phương trình thứ nguyên.
Các hệ số khác cần là 2,2046 x 103 lb g hoặc lb/453,6 g và 1,8 0F/K.
Phương trình thứ nguyên là:
J
BTU 1054,8 J 2,2046 103 lb 1,80 F
 0
g  K lb  F BTU
g
K

Hình thức nữa của phương trình thứ nguyên là:
J
BTU

J
lb 1,80 F
 0
g  K lb F 9,4810-4 BTU 453,6 g K

Khử các đơn vị và chuyển sang các phương trình số học:

J
BTU
 0  4,185
g  K lb F
Ví dụ 1.2:
Nhiệt mất đi qua các thành của lò điện là 6500 BTU/h. Nếu lò hoạt động trong
2 h thì có bao nhiêu kW.h điện sẽ được sử dụng để duy trì nhiệt độ lị (nhiệt vào =
nhiệt mất đi)?
Giải
Để giải bài tập này, cần diễn đạt lại câu hỏi. Chế độ cung cấp 6500 BTU/h cho
2 h thì cần bao nhiêu kW.h?
Cơng suất là năng lượng/thời gian. vì vậy, tích của cơng suất và thời gian là
lượng năng lượng. Năng lượng BTU thì được biến đổi thành J.

4


Phương trình thứ nguyên là:

J

6500 BTU 2h 1054,8 J
h

BTU

W  J / s; vì vậy, W  s  J, kW  h 
kW  h 

W  s 1 kW 1 h
1000 W 3600 s

6500 BTU 2 h 1054,8 J kW
h
h
BTU 1000 W 3600 s

kW.h  3,809
Một phương trình thứ nguyên nữa để lựa chọn là:

kW  h 

6500 BTU 2 h h 1,757 10 -2 kW
 3,809
h
60 min BTU / min

Ví dụ 1.3:
Một bảng cho độ nhớt của nước ở các nhiệt độ khác nhau lập thành danh sách
độ nhớt ở đơn vị lb/(ft  h). Xác định đơn vị SI thích hợp và tính hệ số chuyển đổi. Đơn
vị gốc có đơn vị của khối lượng (lb), khoảng cách (ft), thời gian (h). Các đơn vị cơ bản
SI tương đương sẽ là kg/(m  s).
Giải
Phương trình thứ nguyên cho sự chuyển đổi là:

kg
lb

 hệ số chuyển đổi
m  s ft  h
=

lb
lb
1 kg 3,281 ft 1 h

 4,13 104
m 3600 s ft  h
ft  h 2,2046 lb

Độ nhớt trong SI cũng được biểu diễn theo Pas. Thấy rằng, điều này có các
đơn vị cơ bản tương tự như trong ví dụ trước.
Pa  s 

kg  m s
kg
N
s 2

2
2
m s
m
s m

Bài tập Chƣơng 1
Bài 1: Sữa chảy đầy trong đường ống d = 1,8 cm và làm đầy một tank chứa có
đường kính 12,4 ft3 trong thời gian 1h. Tính vận tốc của dịng sữa trong đường ống
theo đơn vị m/s.
Bài 2: Hòa tan 20 kg NaCl và 100 kg H2O được dung dịch có khối lượng riêng
1323 kg /m3. Tính nồng độ của dung dịch theo các đơn vị:
- Phần Trăm khối lượng.

5


- Phần trăm thể tích.
- Phần mol.
Nồng độ mol.

6


CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Mã Chƣơng: 2
Giới thiệu: Các kiến thức về cân bằng vật chất ứng dụng trong chế biến thực phẩm
Mục tiêu: Trình bày kiến thức cơ bản về cân bằng vật chất dùng trong các quá trình
chế biến thực phẩm. Tính tốn được khối lượng của dịng đi vào và dịng đi ra trong
q trình sản xuất, tính được tỉ lệ và thành phần để có thể kiểm sốt q trình sản xuất.
1 Khái niệm cân bằng vật chất:
- Giúp chúng ta tính được thành phần, khối lượng mà chúng ta không đo đạc
trực tiếp được, cũng như đặc điểm của quá trình sản xuất.
- Giúp chúng ta thiết kế, ấn định các kích thước của thiết bị cũng như khả năng

hoạt động của thiết bị truyền nhiệt.
2 Các nguyên tắc cơ bản
2.1 Định luật bảo toàn vật chất
Cân bằng vật chất dựa trên qui luật là vật chất không tự sinh ra và cũng không
tự mất đi. Vì vậy, trong nhiều quá trình sản xuất, cân bằng vật chất có thể được thực
hiện như sau:
Vật chất vào hệ thống =
Vật chất ra khỏi hệ thống + Vật chất tích lũy trong hệ thống
Vật chất vào hệ thống có thể gồm sự tạo thành vật chất bằng phản ứng hố học
hoặc q trình phát triển của vi sinh vật, và dịng ra có thể gồm sự tiêu hao vật chất bởi
phản ứng hoá học hoặc phản ứng sinh học.
Nếu hệ thống khơng tích lũy, dịng vào = dịng ra và q trình sản xuất ở trình
trạng ổn định.
Nếu điều kiện tích lũy của hệ thống khác 0, khi đó lượng và nồng độ các cấu
tử trong hệ thống sẽ thay đổi theo thời gian và quá trình sản xuất là ở tình trạng khơng
ổn định.
2.2 Phƣơng pháp cân bằng vật chất
- Liệt kê tấc cả các số liệu liên quan đến khối lượng, thành phần của từng dịng
(Cho cái gì? Hỏi cái gì?).
- Vẽ sơ đồ khối tượng trưng cho hệ thống và ghi đầy đủ các dữ liệu vào từng
dịng.
- Vẽ bao hình của hệ thống.
- Chọn căn bản tính cho bài tốn.

7


+ Bản chất q trình:
* Liên tục (ln cho thời gian kèm theo): chọn 1 đơn vị thời gian làm
căn bản tính.

* Gián đoạn (cho bằng khối lượng): chọn khối lượng của 1 dịng đã biết
làm căn bản tính (chọn 1 hoặc 100 đơn vị khối lượng).
- Viết phương trình cân bằng vật chất tổng quát và theo cấu tử.
- Lập và giải các phương trình.
2.3 Giản đồ dịng q trình và đƣờng bao hệ thống
2.3.1 Giản đồ dịng q trình
Trước khi tính tốn một phương trình cân bằng vật chất phải hình dung được
q trình (vẽ sơ đồ dịng quá trình) và vẽ đường bao hệ thống thì sự cân bằng vật chất
đó mới được thực hiện. Việc làm này là cần thiết cho mọi vấn đề của quá trình bởi nó
ảnh hưởng đến sự phân bố của các cấu tử. Trong một số trường hợp, các nguyên tắc
vật lý nào đó sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố các cấu tử trong hệ thống có thể khơng
được đề cập trong bài tốn.
Do đó việc trình bày bài tốn phải đầy đủ để khi đó việc giải bài tốn dể dàng
hơn. Việc giải các bài toán mà một số các nguyên tắc vậy lý không được đề cập trong
bài toán sẽ giúp cho sinh viên nhớ các nguyên tắc vật lý để áp dụng trong các bài toán
đơn giản tương tự.
Sự hiểu biết các nguyên tắc này không chỉ cho phép sinh viên giải các bài toán
cân bằng vật chất giống nhau mà cịn cung cấp một nguồn thơng tin rằng có thể sử
dụng gần như một sự căn bản cho việc thiết kế một quá trình sản xuất mới hoặc để ước
lượng các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của q trình.
Ví dụ 2.1:
Xác định lượng đường (dựa trên căn bản ẩm) có thể sản xuất được từ 100 kg
dung dịch đường chứa 20% khối lượng đường và 1% chất bẩn (hịa tan khơng kết
tinh). Dung dịch được cô đặc đến 75% đường và được làm lạnh đến 20oC. Sau đó ly
tâm và sấy khơ tinh thể.
Giải
Sự trình bày bài tốn này là đủ để vẽ sơ đồ dịng q trình. Sơ đồ này được
thấy trong Hình 2.1.

Hình 2.1 Giản đồ dịng q trình cho bài tốn kết tinh

8


Tuy nhiên, sơ đồ này khơng hồn chỉnh các dịng lưu lại và dịng ra của hệ
thống. Hình 2.2 cho thấy một sơ đồ dịng q trình tương tự, nhưng sau khi đem
nghiên cứu các đặc tính của các cơng đoạn trong q trình, các dịng bổ sung cho phép
vẽ được hệ thống.
Để cô đặc dung dịch 20% đến 75% cần loại bỏ nước. Do đó nước được loại ra
khỏi hệ thống ở thiết bị bốc hơi.
Quá trình làm lạnh khơng làm thay đổi khối lượng, vì thế dịng vào và dòng ra
khỏi thiết bị kết tinh là như nhau.
Quá trình ly tâm tách hầu hết pha lỏng ra khỏi pha rắn, và các tinh thể, pha rắn
chứa một lượng nhỏ dung dịch bị giữ lại đi vào máy sấy. Pha lỏng được loại khỏi thiết
bị ly tâm. Nước được loại ra khỏi hệ thống ở máy sấy.

Hình 2.2 Giản đồ dịng q trình đối với bài tốn kết tinh
cho thấy đƣờng vào, đƣờng ra và các đƣờng bao quanh
hệ thống phụ để giải thích các cơng đoạn của q trình.
* Có 3 ngun tắc vật lý trong bài tốn này khơng được nói đến đó là:
 Các tinh thể sẽ kết tinh khi nồng độ dung dịch đạt quá mức bão hoà. Nồng
độ chất hoà tan trong pha lỏng được đạt tới nồng độ bão hoà khi tinh thể được tạo
thành. Nếu thời gian đủ để đạt cân bằng, pha lỏng di chuyển khỏi hệ thống ở thiết bị ly
tâm là một dung dịch bão hoà.
 Các tinh thể bao gồm chất tan tinh khiết và duy nhất chất bẫn bám lên các
tinh thể từ dung dịch.
 Sự ly tâm không thể phân tách pha lỏng (mật đường) ra khỏi pha rắn (tinh
thể đường) một cách hoàn toàn. Lượng chất bẫn bị giữ lại trên các tinh thể đường phụ
thuộc trên hiệu suất của thiết bị ly tâm phân tách chất rắn từ pha lỏng.
Nguyên tắc của sự tinh khiết các chất phụ thuộc trên mức độ của sự phân tách
chất rắn từ pha lỏng ứng dụng không chỉ trong kết tinh mà cịn trong trích ly bằng

dung mơi.

9


Trong trình tự giải bài tốn này, nồng độ bão hoà của đường trong nước ở
20 C và hàm lượng nước của thành phần tinh thể sau sự ly tâm phải được biết.
0

2.3.2 Đường bao hệ thống
Hình 2.2 cho thấy các đường bao của hệ thống có thể chuyển đổi để làm thuận
tiện cho bài toán. Nếu đường bao quanh hệ thống hồn chỉnh, thì 2 dịng sẽ đi vào và 4
dịng đi ra khỏi hệ thống.
Đường bao cũng có thể đặt quanh thiết bị ly tâm hoặc quanh thiết bị sấy. Cân
bằng vật chất có thể thực hiện quanh nhiều hệ thống phụ này hoặc quanh toàn bộ hệ
thống. Phương trình cân bằng vất chất có thể là cân bằng tổng quát hoặc cân bằng cấu
tử.
2.4 Cân bằng vật chất tổng qt
Phương trình của “Định Luật Bảo Tồn Vật Chất”, khi được dùng trên khối
lượng tổng của dòng vào và dịng ra một hệ thống thì biểu diễn cho một cân bằng tổng
quát.
Ví dụ 2.2:
Trong thiết bị bốc hơi, dung dịch lỗng đi vào, dịch cơ đặc đi ra khỏi hệ thống.
Nước bị bốc hơi trong quá trình. Nếu I là khối lượng dung dịch loãng đi vào hệ thống,
W là khối lượng nước bốc hơi, C là khối lượng dịch cơ đặc ra khỏi hệ thống. Viết
phương trình biểu diễn cân bằng vật chất tổng quát cho hệ thống. Giả sử rằng hệ thống
hoạt động ở tình trạng ổn định.

Giải
Phương trình cân bằng vật chất tổng qt:

Dịng vào = Dịng ra + Lượng tích lũy trong hệ thống
I=W+C
(Lượng tích lũy trong hệ thống là 0: do hệ thống hoạt động ổn định)
Ví dụ 2.3:
Xây dựng sơ đồ khối và thiết lập phương trình cân bằng vật chất tổng qt cho
máy sấy: Khơng khí đi vào có lưu lượng A lb/phút và lưu lượng của vật liệu ẩm đi vào

10


là F lb/phút. Vật liệu khô ra khỏi hệ thống là D lb/phút. Giả sử hệ thống hoạt động ổn
định.
Giải
Không khí khơ

A

Khơng khí ẩm

Khơng khí

W
Vật liệu ẩm

F

Vật liệu sấy

D

Vật liệu khơ

Chọn căn bản tính là 1 phút
Cân bằng vật chất tổng quát quanh thiết bị sấy
A + F = D + KK ẩm
Cân bằng vật chất quanh hệ thống không khí
A + W = Khơng khí ẩm
Cân bằng vật chất quanh hệ thống vật liệu sấy
F=W+D
Ví dụ 2.4:
Để sản xuất nước cam cơ đặc có nồng độ 45% chất khơ, người ta làm cô đặc
nước cam ép từ nồng độ 10% chất khơ đến 65% chất khơ, sau đó pha lỗng dung dịch
đã cơ đặc với nước cam ép ban đầu. Hãy vẽ sơ đồ khối và thiết lập phương trình cân
bằng vật chất tổng quát cho cả hệ thống và cho các hệ thống con.
Giải
Giả sử lượng nước cam chuẩn bị ban đầu là S, lượng F cho vào thiết bị cơ đặc
và lượng A cịn lại dùng để pha lỗng với dịch đã cơ đặc có nồng độ 65% (C65) để làm
giảm nồng độ xuống còn 45% (C45).

Cân bằng vật chất tổng quát quanh cả hệ thống
S = W + C45
Cân bằng vật chất tổng quát quanh điểm phân phối

11


S=F+A
Cân bằng vật chất tổng quát quanh thiết bị cô đặc
F = W + C65
Cân bằng vật chất tổng quát quanh thiết bị pha loãng

C65 + A = C45
2.5 Cân bằng vật chất theo cấu tử
Tổng khối lƣợng cấu tử i vào hệ thống = Tổng khối lƣợng cấu tử i đi ra
Các nguyên tắc áp dụng tương tự như cân bằng vật chất tổng quát, ngoại trừ
các thành phần xem là riêng biệt. Nếu có n cấu tử thì có n phương trình độc lập được
thành lập. Một phương trình cho cân bằng vật chất tổng quát và n – 1 phương trình cân
bằng vật chất theo các cấu tử.
Vì mục tiêu của một bài tập cân bằng vật chất là nhận ra khối lượng và thành
phần của các dòng khác nhau đi vào và đi ra khỏi hệ thống, nó ln cần thiết để thiết
lập các phương trình riêng và đồng thời giải các phương trình đó để tính tốn những
điều chưa biết.
Cân bằng vật chất theo cấu tử giúp ích kể cả các đại lượng đã biết của dịng
q trình và nồng độ của các cấu tử trong giản đồ q trình của tất cả các dịng mà ở
đó một cấu tử có thể hiện diện được xác định một cách dễ dàng.
Trong cân bằng vật chất, dùng đơn vị khối lượng và nồng độ bằng phân khối
lượng hoặc % khối lượng. Nếu các đại lượng được xác định bằng đơn vị thể tích thì
đổi đơn vị thể tích sang đơn vị khối lượng bằng cách dùng khối lượng riêng (density).
Ví dụ 2.6:
Vẽ sơ đồ khối và thiết lập các phương trình cân bằng vật chất tổng quát và
theo cấu tử cho hệ thống phối trộn gồm thịt lợn nạc (15% protein, 20% béo và 65%
nước) và mỡ lợn (3% protein, 82% béo và 15% nước) để tạo ra 100 kg hỗn hợp chứa
25% béo.
Giải

Thịt lợn P
15% protein
65% nước
20% béo

Mỡ lợn

3% protein
B 15% nước
82% béo
M = 100 kg
Phối trộn
25% béo

12


Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
P + B = M = 100
Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử béo:
0,2P + 0,82B = 0,25M = 25
2.6 Căn bản tính và vật liệu nút
2.6.1 Căn bản tính
Căn bản tính hữu ích trong các bài tập mà ở đó khơng có được đại lượng ban
đầu và u cầu trả lời là tỷ lệ hoặc %. Nó thường có ích trong các hệ thống dòng liên
tục.
Cân bằng vật chất trong các hệ thống dòng liên tục đạt được bằng cách lấy một
cản bản tính là thời gian cố định. Một bài tốn cân bằng vật chất có thể được giải trên
nhiều căn bản được chọn.
Sau khi tất cả các đại lượng của dịng q trình được xác định, đại lượng đặc
trưng dịi hỏi cho bài tốn có thể được tìm bằng tỷ lệ và tỷ lệ thức.
Có thể thay đổi căn bản tính khi xét mỗi hệ thống phụ với một đường bao xác
định bên trong toàn bộ hệ thống.
2.6.2 Vật liệu nút
Vật liệu nút là cấu tử được dùng để liên kết đại lượng của dịng q trình này
với đại lượng của dịng q trình khác. Nó thường là cấu tử khơng thay đổi trong suốt
q trình.

Ví dụ: Vật liệu nút là chất rắn trong quá trình tách nước hay bốc hơi và
nitrogen trong quá trình đốt cháy.
Mặc dù vật liệu nút không phải là yếu tố cần thiết để nhận biết, nhưng bài toán
sẽ được đơn giản hơn nếu vật liệu nút được nhận ra và nó được bao gồm trong hệ các
phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử.
Trong một số trường hợp, vật liệu nút khơng cần được nhận diện, như được
mơ tả trong ví dụ ở phần “Phối trộn các thành phần thực phẩm”
* Các bài toán cân bằng vật chất ở dạng pha lỗng, cơ đặc và sấy
Các bài tập dạng này được giải bằng cách thiết lập phương trình cân bằng vật
chất tổng quát và các phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử, sau đó giải hệ
phương trình.
+ Bài tốn q trình gián đoạn
Ví dụ 2.7:

13


Tính khối lượng dd NaCl 10% thu được khi pha loãng 15 kg dd NaCl 25%?
Giải

25% NaCl
F = 15 kg

Pha loãng 10% NaCl
P = ? kg

W = ? kg Nước
Chọn căn bản tính là 15 kg dd 25% NaCl
Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
F+W=P

Phương trình cân bằng vật chất theo cất tử NaCl:
0,25F = 0,1P

0,25 x 15 = 0,1P

P = 37,5 (kg)

Ví dụ 2.8:
Tính % giảm khối lượng khi sấy thực phẩm có độ ẩm 80% xuống độ ẩm 30%?
Giải
Chọn căn bản tính là 100 kg nguyên liệu ẩm
Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô:
0,2 F = 0,7 P

0,2 x 100 = 0,7 P

P = 28,57 (kg)

Phần trăm giảm khối lượng khi sấy là:
[(F - P) / F] x 100% = [(100 - 28,57) / 100] x 100% = 71,43%
+ Bài tốn q trình liên tục
Ví dụ 2.9:
Một thiết bị cơ đặc có năng suất bốc hơi là 500 kg hơi nước/h. Tính năng suất
nhập liệu và sản phẩm thu được khi sản xuất nước quả cô đặc chứa 45% chất khô từ
nước quả thô chứa 12% chất khô.
Bốc hơi = 500 kg/h
Nhập liệu
F = ? kg/h
12% chất khơ

Cơ đặc
Giải

Chọn căn bản tính là 1h
Phương trình cân bằng vật chất tổng qt:

14

Dịch cơ đặc
C = ? kg/h
45 % chất khô


F = C + 500 (1)
Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô:
0,12 F = 0,45 C (2)
0,12 (C + 500) = 0,45 C
0,33 C = 60

C = 181,8 (kg/h)

Thế C = 181,8 (kg/h) vào pt (1)
F = 500 + 181,8 = 681,8 (kg/h)

Ví dụ 2.10:
Để tách bơ ra khỏi sữa, người ta tiến hành ly tâm 35000 kg sữa nguyên kem có
chứa 4% lipid. Sau 6 giờ thu được sữa tách béo có hàm lượng lipid là 0,45% và bơ có
hàm lượng là 45% lipid. Tính năng suất của từng sản phẩm.
Giải
F = 35000 kg/6h

4% lipid

Ly Tâm

P=?
0,45% lipid

C = ? 45% lipid

Chọn căn bản tính là 6h
Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
F=C+P

C + P = 35000 (1)

Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử lipid:
0,04F = 0,45C + 0,0045P
1400 = 0,45C + 0,0045P (2)
Giải hệ pt (1) và (2)

C = 2789 (kg/6h)
P = 32211 (kg/6h)

Năng suất của từng sản phẩm là:
C = 464,8 (kg/h)
P = 5368,5 (kg/h)
* Giải cái bài toán phối trộn các thành phần thực phẩm
Các bài toán này ta tiến hành thiết lập các phương trình cân bằng vật chất tổng
quát và phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử và giải hệ phương trình.

15


Ví dụ 2.11:
Xác định lượng nước quả cơ đặc chứa 65% chất khô và nước quả ép chứa 15%
chất khô được phối trộn với nhau để tạo 100 kg nước quả cô đặc chứa 45% chất khô.
Giải
F = ? kg
65% chất khô

Phối trộn

P = 100 kg
45% chất khô

B = ? kg
15% chất khơ

Chọn căn bản tính là 100 kg nước quả thành phẩm
Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
F + B = P = 100

(1)

Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô:
0,65F + 0,15B = 0,45P = 45

(2)

Từ pt (1) và (2) ta được: F = 60 (kg)

B = 40 (kg)
Ví dụ 2.12:
Xác định lượng thịt bò, mỡ lợn và nước dùng để sản xuất 100 kg xúc xích.
Thành phần của nguyên liệu và xúc xích là:
Thịt bị:

14% lipid, 67% nước, 19% protein.

Mỡ lợn:

89% lipid,

Xúc xích:

20% lipid, 65% nước, 15% protein.

8% nước, 3% protein.

Giải
W = ? kg nước
B = ? kg thịt bò
14% lipid
67% nước
19% protein

Phối trộn P = 100 kg xúc xích
20% lipid
65% nước
15% protein

F=?
kg mỡ lợn 89% lipid
8% nước
3% protein

Chọn căn bản tính là 100 kg xúc xích
Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:
B + F + W = P = 100 (1)

16


Phương trình cân bằng vật chất cho các cấu tử:
Protein:

0,19B + 0,03F = 0,15P = 15

(2)

Lipid:

0,14B + 0,89F = 0,2P = 20

(3)

Từ pt (2) và (3) ta có: B = 77,32 (kg)
F = 10,31 (kg)
Thế giá trị của B và F vào pt (1) ta được:
W = 12,37 (kg)

Bài tập Chƣơng 2
Bài 1: Xác định lượng nước quả cô đặc chứa 65% chất khô và nước quả ép
chứa 15% chất khô được phối trộn với nhau để tạo 100 kg nước quả cô đặc chứa 45%
chất khô.
Bài 2: Một hỗn hợp thực phẩm được sản xuất để cân đối methionine (MET),
là một amino acid trong thành phần dinh dưỡng protein thực phẩm, bằng cách phối
trộn các loại protein thực phẩm riêng biệt với nhau. Bắp chứa 15% protein có 1,2 g
MET/100 g protein; bột đậu nành chứa 55% protein có 1,7 g MET/100 g protein; và
sữa khô không béo chứa 36% protein có 3,2 g MET/100 g protein. Phải cần bao nhiêu
mỗi thành phần này để sản xuất 100 kg sản phẩm chứa 30% protein có 2,2 g MET/100
g protein ?
Bài 3: Tính lượng đường, nước ép trái cây và pectin cần thiết để sản xuất 100
kg Jam có 65% chất khơ, biết nước ép trái cây có 10% chất khô. Biết tỷ lệ giữa nước
ép trái cây và đường cần pha trộn có tỷ lệ 45% và 55%. Tỉ lệ giữa pectin và đường

là 100 g pectin : 10 kg đường.

17


CHƢƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
Mã Chƣơng: 3
Giới thiệu: Các kiến thức về cân bằng năng lượng ứng dụng trong chế biến thực phẩm
Mục tiêu: Trình bày kiến thức cơ bản về cân bằng năng lượng dùng trong các quá
trình chế biến thực phẩm. Tính tốn được năng lượng tiêu hao trong quá trình sản suất.
1 Các nguyên tắc chung:
Cân bằng năng lượng quanh một hệ thống được dựa trên định luật thứ nhất của
nhiệt động học, định luật bảo tồn năng lượng. Các năng lượng cơ học (cơng), điện và
nhiệt lượng tất cả có thể được quy về cùng một đơn vị.
Xác định các đường bao hệ thống để thực hiện cân bằng năng lượng là một

quá trình tương tự như các tính tốn cân bằng vật chất.
Phương trình cân bằng năng lượng cơ bản là:
Năng lƣợng vào hệ thống =
Năng lƣợng ra khỏi hệ thống + Năng lƣợng tích lũy trong hệ thống (3.1)
Nếu hệ thống ở trạng thái ổn định thì hệ số tích lũy bằng 0.
Nếu hệ thống ở trạng thái khơng ổn định thì hệ số tích lũy khác 0 và nó biến
thiên theo thời gian.
Khi phương trình (3.1) được sử dụng, tất cả các số hạn năng lượng đã biết thay
đổi bên trong hệ thống cần phải được tính đến.
Các hàm nhiệt được biểu diễn bằng enthalpy dựa trên sự tăng enthalpy ở một
sự chênh lệch nhiệt độ được thiết lập.
Sự cung cấp công, điện hoặc điện từ lên hệ thống, tất cả phải được tính đến
nếu sự ảnh hưởng của nó lên hàm nhiệt tổng có ý nghĩa. Nếu hệ thống chỉ gồm trao đổi
năng lượng giữa 2 cấu tử thì cân bằng năng lượng sẽ là:
Năng lƣợng nhận bởi cấu tử 1 = Năng lƣợng mất đi bởi cấu tử 2

(3.2)

Phương trình (3.1) hoặc phương trình (3.2) sẽ cho kết kết quả giống nhau nếu
phương trình (3.2) được áp dụng thích hợp. Phương trình (3.1) là dạng tổng quát của
cân bằng năng lượng.
2 Các thuật ngữ năng lƣợng
Đơn vị của năng lượng trong hệ SI là Joule. Các hệ số chuyển đổi có thể được
dùng để chuyển đổi các đơn vị năng lượng cơng và điện sang hệ SI tương đương của
nó.
2.1 Enthalpy
Enthay là một tính chất bên trong, giá trị tuyệt đối của nó khơng thể đo một
cách trực tiếp. Vì vậy, nếu một trạng thái tham chiếu được chọn cho tất cả các cấu tử
nào vào và ra khỏi hệ thống như thế ở trạng thái này thì enthalpy được xét bằng 0, lúc
sự thay đổi enthalpy từ trạng thái tham chiếu đến trạng thái đang xét của một cấu tử có

thể được xem như giá trị enthalpy tuyệt đối cho hệ thống cần nghiên cứu.

18


Nhiệt độ tham chiếu (Tref) cho việc xác định enthalpy của nước trong các bảng
hơi nước là 32,018 oF hay 0,01 oC.
Enthalpy của bất kỳ cấu tử nào của một hệ thống sẽ tương đương với enthalpy
của nước đạt được từ các bảng hơi nước ở nhiệt độ T bất kỳ được cho bởi phương
trình:

H  Cp T  Tref 

(3.3)

Trong phương trình (3.3), Cp là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi.
2.2 Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng (Cp) là lượng nhiệt đi kèm sự biến thiên một đơn vị nhiệt độ
đối với một đơn vị khối lượng.
Nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ đối với chất khí nhiều hơn so với chất
lỏng hoặc chất rắn. Hầu hết các chất rắn và chất lỏng có nhiệt dung riêng không đổi
trên một khoảng nhiệt độ khá rộng. Sự biến thiên enthalpy của một vật liệu với khối
lượng m là:
T
2

q  m  C dt
T1

(3.4)

p

Các bảng sổ tay cho các nhiệt dung riêng được lấy trung bình trên một khoảng
nhiệt độ. Khi nhiệt dung riêng trung bình được cho, phương trình (3.4) trở thành:
(

)

(3.5)

Đối với chất rắn và chất lỏng, phương trình (3.3) và phương trình (3.5) có giá
trị trên khoảng nhiệt độ được gặp trong các hệ thống sản xuất thực phẩm.
* Tính nhiệt dung riêng của thực phẩm theo cơng thức Siebel:
Thực phẩm có độ ẩm là M, hàm lượng lipid là F, hàm lượng chất khô không
béo là NF, khi đó nhiệt dung riêng trung bình là:

CP = M CH2O + F CF + NF CNF
Với: CH2O = 1 BTU/lboF
CF = 0,4 BTU/lboF
CNF = 0,2 BTU/lboF
BTU/lb.oF

CP = M + 0,4 F + 0,2 NF

= 4,18 M + 1,672 F + 0,836 NF

KJ/kg K

(vì 1 BTU/lb. oF = 4,18 KJ/Kg K)

Ví dụ 3.1:
Tính nhiệt dung riêng của thịt bò nướng chứa 15% protein, 20% lipid và 65%
nước.
Giải
CP = 0,15 (0,2) + 0,20 (0,4) + 0,65 (1)

19


= 0,76 BTU/(lb  oF)
CP = 0,15 (0,836) + 0,2 (1,672) + 0,65 (4,18)
= 3,1768 KJ/(Kg K)
Ví dụ 3.2:
Tính nhiệt dung riêng trung bình của nước cam cơ đặc có nồng độ chất khơ là
45%.
Giải
Ta có phân khối lượng chất khô theo đề bài là 45%
 phân khối lượng ẩm = 1 – 45 = 0,55.
CP = M + 0,2 NF
CP = (0,55) + 0,20 (0,45) = 0,64 BTU / (lb  oF)
CP = 4,18 (0,55) + 0,836 (0,45) = 2,6752 KJ / (Kg  K)
2.3 Ẩn nhiệt và nhiệt cảm:
* Ẩn nhiệt: là năng lượng kết hợp với sự chuyển pha, nhiệt của sự nóng chảy
từ chất rắn sang chất lỏng và nhiệt của sự bốc hơi từ chất lỏng thành hơi.
Vật chất có khối lượng m thay đổi trạng thái từ hơi sang lỏng, nhiệt chuyển
q = m ∆i = m (i,, - i,)

pha là:

i,, : là enthalpy của hơi bão hòa (KJ/Kg)

i, : là enthalpy của lõng bão hịa (KJ/Kg)
* Nhiệt hố hơi: là lượng nhiệt cần cung cấp cho sự chuyển pha từ chất lỏng
sang hơi.
Vật chất có khối lượng m thay đổi trạng thái từ lỏng sang hơi, nhiệt chuyển
pha là:

q=m.r
r: nhiệt hoá hơi (KJ/Kg)
* Nhiệt cảm: được định nghĩa là năng lượng được truyền giữa hai vật thể ở

các nhiệt độ khác nhau hoặc năng lượng hiện diện bởi nhiệt độ của nó.
q = m Cp∆t
Ví dụ 3.3:

20


Tính nhiệt cần cung cấp để nâng nhiệt 100 lb thịt bò (chứa 15% protein, 20%
lipid và 65% nước) từ 40oF - 150oF. Đơn vị tính là BTU, J, W.h
Giải
Nhiệt cung cấp cho quá trình là:
q = mCp∆t
CP = M + 0,4 F + 0,2 NF
= 0,65 + 0,4 (0,2) + 0,2 (0,15)

(1)

= 0,76 BTU / (lb  oF)
q = 100 lb x 0,76 BTU / (lb  oF) x 110oF = 8360 BTU
= 8360 BTU x 1055 J / BTU = 8819800 J

= 8819800 J = 8819800 W.s
= 8819800 W.s x 1h/3600 s = 2450 W.h = 2,45 KW.h
3 Các đặc tính của hơi bão hồ và hơi q nhiệt
3.1 Các đặc tính của hơi nƣớc
Hơi nước và nước là 2 môi trường truyền nhiệt được sử dụng thường xuyên
nhất trong sản xuất thực phẩm. Nước luôn là thành phần chính của các sản phẩm thực
phẩm.
Các bảng hơi nước liệt kê các đặc tính của hơi nước, nó rất hữu dụng trong
việc tra cú để xác định sự trao đổi nhiệt gồm một sản phẩm thực phẩm và hơi nước
hoặc nước.
Ở nhiệt độ trên điểm đóng băng, nước có thể tồn tại một trong các hình thức
sau đây:
- Lỏng bão hoà: Nước lỏng trong sự cân bằng với hơi của nó. Áp suất tổng
trên bề mặt chất lỏng phải bằng hoặc cao hơn áp suất hơi. Nếu áp suất tổng trên chất
lỏng lớn hơn áp suất hơi, thì một ít chất lỏng ở thể hơi khác hiện diện trong phần áp
suất khí quyển trên chất lỏng. Nếu áp suất tổng trên bề mặt một chất lỏng bằng áp suất
hơi, thì chất lỏng ở điểm sơi.

21