Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ

Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ
TIỂU LUẬN
KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU NGUYÊN TẮC GIA NHIỆT BẰNG SÓNG
HỒNG NGOẠI VÀ MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA
GVHD: Ths. Trần Hoài Đức
Lớp: DHTP5. Nhóm 2
SVTH: MSSV
Nguyễn Đỗ Hà Giang 09076841
Trần Thị Mỹ Hạnh 09202211
Lưu Văn Tấn Mạnh 09083631
Nguyễn Thị Bích Tuyền 09207021
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2011
1
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
MỤC LỤC
2.2.2 Thiết bị ....................................................................................................................................... 15
2.2.3 Ứng dụng .................................................................................................................................... 16
2.2.3.1 Tiệt trùng ............................................................................................................................. 16
2.2.3.2 Giảm tác nhân gây bệnh ..................................................................................................... 16
2.2.3.4 Kéo dài thời hạn sử dụng .................................................................................................... 17
2.2.3.5 Kiểm soát sự chín ................................................................................................................ 17
2.2.3.6 Dinh dưỡng và cảm quan .................................................................................................... 18
III. KẾT LUẬN .................................................................................................................................................... 20
IV.TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................................. 21
I. LỜI NÓI ĐẦU
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, đa số các quá trình chỉ xảy ra theo
một chiều hướng nhất định ở một điều kiện công nghệ nhất định ở một điều kiện công

nghệ nhất định để đạt một kết quả tối ưu. Trong điều kiện công nghệ thường lien quan đến
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mà ở đó nhiệt độ là một thông số thường ảnh hưởng
đến hầu hết các quá trình. Do đó các quá trình cần tiến hành ở điều kiện nhiệt độ xác định
thì kết quả của quá trình mới đảm bảo được điều kiện nhiệt độ của quá trình theo yêu cầu
công nghệ, trong công nghiệp thường tiên hành các quá trình đun nóng, làm nguội…nghĩa
là ta phải cung cấp hoặc giải phóng bớt năng lượng để giữ nhiệt độ không đổi. Bản chất
các quá trình đó chính là truyền nhiệt
Và quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, đó là nhiệt chỉ được truyền từ
nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác hay từ
không gian này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thể nào đó hoặc là
tổ hợp nhiều phương thức truyền nhiệt phức tạp. Các phương thức truyền nhiệt về cơ bản
gồm dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, nhiệt bức xạ.
Một trong ba phương thức truyền nhiệt quan trọng chính là nhiệt bức xạ. Như
chúng ta đã biết mọi vật có nhiệt độ khác nhau không tuyệt đối, do kết quả của quá trình
dao động điện từ của các phân tử và nguyên tử, đều có khả năng bức xạ năng lượng. Các
dao động điện từ sẽ được truyền đi trong không gian theo mọi hướng gọi là sóng điện từ.
2
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
Các song điện từ có cùng bàn chất chỉ khác nhau về chiều dài bước sóng. Tùy theo bước
sóng mà người ta chia thành sóng vũ trụ, sóng rơnghen, sóng tử ngoại, sóng hồng ngoại…
Nhiệt độ của vật thể càng cao thì lượng nhiệt được truyền đi dưới dạng sóng năng lượng
càng lớn. Các sóng bức xạ này phát ra trong không gian khi gặp vật thể khác, nó có thể bị
hấp thụ toàn bộ hay một phần để biến thành nhiệt năng. Chính vì đặc điểm này mà sóng
hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong phương pháp gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại. Và
phương pháp này được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trong ngành kỹ thuật nhiệt nói chung
và trong công nghệ chế biến thực phẩm nói riêng, chẳng hạn như thiết bị: lò vi sóng, lò
nướng bánh mì,…Biết được tầm quan trong của phương pháp gia nhiệt bằng sóng hồng
ngoại nên nhóm chúng em xin chọn đề tài “tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng
ngoại và một số ví dụ minh họa” để làm tiểu luận cho môn kỹ thuật thực phẩm 2 này,
mong rằng qua bài tiểu luận này chúng em có thể hiểu rõ hơn, sâu hơn về phương pháp

này.
II. NỘI DUNG
2. Nhiệt bức xạ
2.1 Sóng hồng ngoại
2.1.1 Lý Thuyết
Năng lượng hồng ngoại là bức xạ điện từ (Hình 18.1) được phát ra bởi vật thể
nóng. Khi nó được hấp thụ, bức xạ năng lượng của mình cho lên để làm nóng vật liệu. Tỷ
lệ truyền nhiệt phụ thuộc vào:
 Các thuộc tính bề mặt của hai tài liệu
 Các hình dạng của các cơ quan phát và nhận
 Nhiệt độ bề mặt của vật liệu sưởi ấm và nhận
3
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
Hình 18.1
Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ của
chúng. Năng lượng hồng ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay của nguyên
tử và phân tử, nhiệt độ càng cao, nguyên tử và phân tử chuyển động càng nhiều, càng tạo
ra nhiều bức xạ hồng ngoại. Năng lượng này sẽ được camera chụp ảnh hồng ngoại phát
hiện, camera hồng ngoại không phát hiện nhiệt độ, chúng phát hiện bức xạ nhiệt.
Lượng nhiệt phát ra từ một bộ tản nhiệt hoàn hảo (gọi là một cơ thể màu đen)
được tính bằng cách sử dụng các phương trình Stefan-Boltzmann:
4
ATQ
σ
=
Mà Q (Js
-1
) tỷ lệ phát thải nhiệt, s = 5.7 x 10
-8
(Js

-1
m
-2
K
-4
) của Stefan-Boltzmann
không đổi, một diện tích bề mặt (m
2
) và T (K= º C + 273) nhiệt độ tuyệt đối. Phương trình
này cũng được sử dụng cho một chất hấp thụ bức xạ hoàn hảo, một lần nữa được biết đến
như một vật đen. Tuy nhiên, nóng bức xạ không tản nhiệt hoàn hảo và các loại thực phẩm
không được hấp thụ hoàn hảo, mặc dù họ không phát ra và hấp thụ một phần nhỏ liên tục
của lý thuyết tối đa. Khái niệm của các cơ quan màu xám được sử dụng, và các phương
trình Stefan-Boltzmann được sửa đổi để:
4
ATQ
εσ
=
. Lượng năng lượng hấp thu, và do đó mức độ sưởi ấm, thay đổi từ số không
hấp thụ để hoàn thành. Điều này được xác định bởi các thành phần của thực phẩm, mà
hấp thụ bức xạ đến mức độ khác nhau, và bước sóng của năng lượng bức xạ. Một số bức
xạ này được hấp thụ và một số là phản xạ trở lại trong thực phẩm.
4
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
Lượng bức xạ hấp thụ bởi một cơ thể màu xám được gọi là sự hấp thụ (
α
) và có số lượng
bằng phát xạ (Bảng 18.3). Bức xạ mà không hấp thu được phản ánh và điều này được thể
hiện như là phản xạ (1-
α

). Có hai loại phản xạ: đó diễn ra ở bề mặt của thực phẩm và
rằng đó diễn ra sau khi bức xạ đi vào cơ cấu thực phẩm và trở thành khuếch tán do tán xạ.
Bề mặt phản xạ tạo ra bóng quan sát thấy trên các vật liệu đánh bóng trong khi cơ thể suy
ra những màu sắc và hoa văn của vật liệu.
Vật liệu Phát xạ
Bánh mì nướng bị cháy 1,00
Nước 0,955
Kem 0,97
Bột 0,85
Mỡ bò 0,78
Thịt bò nạc 0,74
Giấy trắng 0,9
Sơn kim loại hoặc gỗ 0,9
Không bóng kim loại 0,7 – 0,25
Đánh bóng kim loại 0,05
Bảng 18.3: Ước tính của vật liệu trong chế biến thực phẩm
Các bước sóng của bức xạ hồng ngoại được xác định bởi nhiệt độ của nguồn.
Nhiệt độ sản xuất cao hơn bước sóng ngắn hơn có độ sâu lớn hơn của sự thâm nhập. Tỷ lệ
thực của truyền nhiệt cho thực phẩm, do đó tương đương với tỷ lệ hấp thu trừ đi tỷ lệ phát
thải:
)(
4
2
4
1
TTAQ −=
εσ
nơi T
1
(K) nhiệt độ của nhiệt độ phát và T

2
( K) nhiệt độ của chất hấp thụ.
2.1.2 Thiết bị
Các loại máy sưởi nóng bức xạ bao gồm kim loại phẳng hoặc hình ống, máy
sưởi bằng gốm, và thạch anh hoặc halogen ống được gắn với sợi điện (Bảng 18.4). Các
5
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
ứng dụng chính của năng lượng bức xạ là sấy khô độ ẩm thấp thực phẩm (cho breadcrumbs
Ví dụ, ca cao, bột, hạt, mạch nha, các sản phẩm mì và trà) và nướng hoặc lò nướng. Sản
phẩm đi qua đường hầm, bên dưới các máy sưởi rạng rỡ, trên một băng tải (Ginzberg,
1969). Tuy nhiên, sử dụng rộng rãi như là một nguồn năng lượng để sấy khô phần lớn thực
phẩm vì độ sâu giới hạn của sự thâm nhập. Năng lượng bức xạ cũng được sử dụng trong
máy sấy chân không và máy sấy băng nội, trong máy sấy thăng hoa gia tốc, trong một số lò
vi sóng trong nước để có màu nâu trên bề mặt thực phẩm.
Bảng 18.4. Đặc điểm của bước sóng hồng ngoại
Loại
hình phát
Nhiệt độ
chạy tối
đa
Cường
độ tối đa
Bức xạ
nhiệt
Quá trình
nhiệt độ
tối đa
Đối lưu
nhiệt
Hệ thống

sưởi ấm,
thời gian
làm mát
Dự kiến
cuộc
sống
Bước sóng ngắn
Đèn
nhiệt
2200 10 300 75 25 1 5000h
Súng IR 2300 2 1600 98 2 1 _
Thạch
anh ống
2200 80 600 80 20 1 5000h
Vừa bước sóng
Thạch
anh ống
950 60 500 55 45 30 Năm
Bước sóng dài
Element 800 40 500 50 50 <120 Năm
Gạch 700 40 400 50 50 <120 Năm
2.1.3 Ứng dụng trong thực phẩm
Việc làm nóng bề mặt nhanh chóng của các loại thực phẩm có trong các hợp
chất ẩm và hương vị hay mùi hương. Thay đổi để bề mặt các thành phần của thực phẩm
cũng tương tự như xảy ra trong quá trình nướng.
6
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
Nguồn hồng ngoại trong các thiết bị được phát ra với bước sóng 1,8–3,4 micron,
và sóng hồng ngoại được sử dụng trong việc chế biến nông sản, thực phẩm được xem như
một thiết bị sấy khô nông sản vì dải biến thiên nhiệt độ trong thiết bị có thể từ 37oC –

2000C. Nguồn năng lượng của sóng hồng ngoại khi tiếp xúc với nông sản sẽ làm cho các
phần tử rung động và dẫn đến sự tăng nhiệt độ bên trong sản phẩm một cách nhanh chóng
cùng với sự gia tăng về áp suất hơi nước. Các hạt ngũ cốc, hạt đậu khi được chiếu sóng
hồng ngoại chỉ trong thời gian 50 giây, nhiệt độ bên trong hạt đã tăng lên 900C hoặc với
thời gian 90 giây, nhiệt độ đã tăng lên 1100 C.
Tác dụng của sóng hồng ngọai khi chiếu vào nông sản (đặc biệt là các loại hạt)
sẽ tạo ra các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, mùi vị thơm hơn, tinh bột trong hạt sẽ
được hồ hóa triệt để hơn, không có hiện tượng lại bột, và như vậy khả năng tiêu hóa thực
phẩm sẽ tốt hơn. Ví dụ hạt lúa mì được chiếu sóng hồng ngoại thì khả năng tiêu hóa là
90%, trong khi đó sự tiêu hóa của những hạt lúa mì không chiếu sóng hồng ngoại chỉ đạt
30%.
Sóng hồng ngoại khi chiếu vào nông sản còn làm tăng hàm lượng axit amin tự
do, đồng thời ức chế một số enzymer bất lợi (như Trypsin trong hạt đậu tương) và do đó
làm tăng khả năng tiêu hóa đậu tương lên rất nhiều. Hoặc khi chiếu sóng hồng ngoại vào
những hạt ngũ cốc có chứa axit béo, sẽ làm giảm họat tính các enzym (men) oxy hóa chất
béo và nó sẽ hạn chế các quá trình oxy hóa chất béo khi bảo quản, hạt sẽ không bị ôi, khét
và đắng.
Mặt khác khi chế biến các sản phẩm thực phẩm ăn liền, tia hồng ngoại còn có tác
dụng diệt khuẩn rất tốt mà không làm mất giá trị dinh dưỡng của nông sản thực phẩm.
Một số sản phẩm thức ăn gia súc được chế biến sấy chín bằng tia hồng ngoại có
tác dụng rất tốt đối với vật nuôi. Ngoài tác dụng làm tăng khả năng tiêu hóa lên tới 80-90
7
Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ minh họa
%, còn làm tăng cảm giác ngon miệng, nâng cao tỷ lệ tăng trọng nhanh, ăn ít mà tăng trọng
lớn, dẫn đến tỷ lệ chuyển đổi thức ăn cao hơn (ví dụ nuôi heo: 2,5kg thức ăn/1kg thịt).
Những nông sản dùng làm thức ăn gia súc mà được chiếu tia hồng ngoại thì năng lượng
chuyển hóa bao giờ cũng cao hơn những nông sản không chiếu.
Trong thực tế sản xuất hiện nay, người ta sử dụng tia hồng ngoại trong nhiều
lĩnh vực chế biến như xử lý các loại hạt làm thức ăn gia súc, thanh trùng sữa tươi (với thời
gian rất ngắn 15 giây), gia nhiệt bề mặt các sản phẩm để tạo màu sắc đẹp hơn (ví dụ các

loại bánh nướng), sấy khô các loại dược liệu, sấy khô các loại gia vị mà màu sắc ít biến
đổi. Người ta còn dùng tia hồng ngoại để nướng bánh, sản xuất thực phẩm ăn nhanh và ngũ
cốc dinh dưỡng (cereals) dùng trong điểm tâm.
Hiện nay có nhiều Công ty chuyên sản xuất thiết bị chiếu tia hồng ngoại dùng
trong chế biến thực phẩm như Công ty Charnwood, Charnwood milling, Micronizing,
Newton, Simpson, Sharman. Những thiết bị của các Công ty này có công suất chế biến từ
750kg – 2200kg/giờ, với công suất điện tiêu thụ từ 14-20 kw/tấn hạt.
Nguyên liệu (hạt) trước hết được làm sạch sơ bộ, loại bụi bậm, rác, tạp chất, sau
đó được tạo ẩm để đưa độ ẩm của hạt đạt từ 18-20%. Rồi từ một hệ thống băng chuyền,
hạt được chuyển sang khu vực xử lý hồng ngoại trong khoảng từ 50giây – 90giây (tùy theo
mục đích sử dụng và tùy theo loại nguyên liệu) để làm chín tinh bột; và sau đó tiếp tục
chuyển qua một hệ thống máy ép trục để ép nguyên liệu đã chín thành lát mỏng, rồi làm
khô… Tinh bột trong hạt được hồ hóa triệt để sau khi ép mỏng, do đó chất lượng sản phẩm
được tăng lên, đồng thời làm tăng khả năng hấp thu, tiêu hóa của con người (và cả gia súc)
đối với sản phẩm nông sản chế biến.
8