Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm 1.Đặt vấn đề Nước ta là một nước đi lên từ nền sản xuất nông nghiệp lạc hậu, bị chiến tranh tàn phá dặc biệt là trước năm 1975. Cho nên sau khi dành được độc lập 1986 Đảng và Nhà nước đã đưa ra chủ trương đưa nên nông nghiệp phát triển theo hướng CNH-HĐH. Phấn đấu đến năm 2020 về cơ bản nước ta là một nước công nghiệp. Mỡ đầu là sự thắng lợi lớn trong sự kiện gia nhập tổ chức thương mại quốc tế WTO. Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta dang ngày một phát triển đi lên điều đó đã kéo theo đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao. Tổng thu nhập GDP trên một đầu người là 640 USD (2005). Khi mà đời sống của người dân được nâng cao thì vấn đề sức khỏe là mối quan tâm hàng đầu. Điều mà người dân quan tâm nhất là được sử dụng thực phẩm an toàn và sạch. Vì thế ngành chế biến bảo quản nông sản thực phẩm ngày càng được chú trọng và phát triển. Trong đó vấn đề thanh trùng sản phẩm được quan tâm hàng đầu. Vậy thanh trùng sản phẩm là gi? “ Thanh trùng là quá trình tiêu điệt các loại vi khuẩn có hại trong sản phẩm. Trong dây chuyền công nghệ - chế biến bảo quản thực phẩm thanh trùng là khâu quan trọng có tác dụng quuyết định tới khả năng bảo quản nông sản thực phẩm và chất lượng của sản phẩm” Thanh trùng được áp dụng phổ biến trong các ngành công nghệ sản xuất đồ hộp, rau quả, thịt cá và sữa Thanh trùng có thể được thực hiện trước hoặc sau khi chế biến, có thể trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong chuyên đề này Tôi sẽ làm rõ hơn vấn đề: “ Cơ sỡ lý thuyết của quá trình thanh trùng, lý thuyết tính toán cho thiết bị thanh trùng sản phẩm không đóng gói, sự khác và giống nhau khi thanh trùng sản phẩm đóng gói.” 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Thanh trùng sản phẩm và thiết bị thanh trùng sản phẩm không đóng gói 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập dữ liệu trên cơ sỡ lý thuyết - Phương pháp dùng hình ảnh minh họa 3. Nội dung nghiên cứu 3.1. Lý thuyết tính toán một số thiết bị thanh trùng 3.1.1. Thiết bị thanh trùng sản phẩm không đóng gói a) Tính toán nhiệt học Đối với thiết bị thanh trùng trực tiếp dạng bản mỏng hay dạng trống parabol dùng để thanh trùng sữa, nước quả thì chế độ nhiệt của quá trình đốt nóng, diện tích bề mặt đốt nóng, năng suất máy được tính toán theo phương trình vi phân của quá trình truyền nhiệt. Qs Cs dts=k(th – ts)dF (1) 1 Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm Qs - lưu lượng sữa chảy trong máy, kg/h Cs - nhiệt dung riêng của sữa, kcal/kg. oC k - hệ số truyền nhiệt, kcal/m 2 . h. oC th - nhiệt độ của hơi nước, oC ; ts - nhiệt độ sữa ở thời điểm đang xét, oC ; dF - diện tích bề mặt đốt nóng ở thời điểm đang xét, m 2 Mối quan hệ giữa chế độ nhiệt của máy và diện tích bề mặt đốt nóng được thể hiện trên đồ thị (hình 1). Hình 1. Đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ sữa vào diện tích bề mặt đốt nóng Phương trình vi phân (1) có thể viết dưới dạng: dF CQ k tt dt sssh s = − (2) Tích phân 2 vế phương trình (2) trong giới hạn nhiệt độ sữa ban đầu tsđ và cuối tsc ứng với diện tích bề mặt đốt nóng từ 0 ÷ F, ta có sssch sdh CQ kF tt tt = − − ln (3) Từ đây ta rút ra: F= sch sdhss tt tt k CQ − − ln (4) 2 Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm b) Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị thanh trùng kiểu trống - Xác định độ cao nâng sữa Đối với máy thanh trùng sữa kiểu trống parabol, khi trống quay, do lực ly tâm đã dồn ép sữa theo khe hở giữa trống và áo trống lên phía trên, khi đó tiết diện mặt cắt dọc của sữa trong khe hở cũng có dạng parabol (hình 2). Độ cao nâng sữa lý thuyết được xác định theo công thức sau: Hlt = h + ho (5) h - độ cao từ đáy tới miệng trống, m; ho - độ cao chảy tự do của sữa khi ra khỏi miệng trống. Độ cao nâng sữa được xác định theo công thức thuỷ lực học như sau: Hlt= 900.22 2222 g nR g v π = (6) Trong đó: v- vận tốc vòng của đầu cánh gạt sữa, m/s; g- gia tốc trọng trường, m/s 2 ; R- bán kính đầu cánh gạt sữa ở miệng trống, m; n - số vòng quay của trống, v/ph; Hình 2. Sơ đồ tính toán độ cao nâng sữa Độ cao nâng sữa thực tế Htt thường nhỏ hơn độ cao nâng sữa lý thuyết một đại lượng tổn thất áp suất Σhđ = 0,2 ÷ 0,5m vì phải khắc phục lực cản chuyển động của sữa trong khe hở giữa trống và áo trống: Htt = Hlt - Σhđ (7) Từ công thức (6) ta có thể xác định được số vòng quay cần thiết của trống để nâng sữa tới độ cao Hlt là: n = lt gH R 2 30 π (8) - Lực tác động vào thân máy thanh trùng Lập hệ trục toạ độ Oxy (hình 2). Trục Ox ghi giá trị biến thiên bán kính từ mặt chất lỏng tới trục quay, trục Oy ghi biến thiên độ cao nâng sữa. 3 Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm Xét một phần tử sữa tại điểm M bất kỳ trong khe ép, có kích thước dx, dy cách trục quay một đoạn là x. Lực ly tâm tác động vào phần tử vi phân của chất lỏng là: Flt= ma =2 π xdxdyρω 2 x m- khối lượng của phần tử chất lỏng, m=2 π xdxdyρ ρ- mật độ chất lỏng: ρ= g γ γ- trọng lượng riêng của chất lỏng, N/m 3 , g- gia tốc trọng trường, m/s 2 a - gia tốc li tâm: a = ω 2 x Hình 3. Sơ đồ tính toán lực tác động vào thân và nắp máy thanh trùng ω - vận tốc góc quay của trống, s -1 Lực này được phân bố trên bề mặt vành đai có diện tích F = 2πxdy, sẽ tạo nên áp suất ly tâm: dp = xdx gF F lt 2 ω γ = (9) Lấy tích phân phương trình (9) trong giới hạn từ 0 ÷ p và từ x ÷ R ta xác định được áp suất ly tâm tác động vào áo trống: ( ) 222 2 xR g p −ω γ = (10) Xuất phát từ điều kiện bền của thành áo trống: pR=[ σ ] δ Ta rút ra: δ = ][ σ PR (11) [ σ ] - ứng suất cho phép, N/m 2 ; δ - chiều dày áo trống, m. - Lực tác động lên nắp máy thanh trùng Nắp máy thanh trùng phải chịu áp suất tác động từ dưới lên do cột áp chảy tự do khi chất lỏng theo khe hở vượt lên khỏi miệng trống. Tại điểm M ta có: tgϕ = g x g a mg ma dx dy 2 ω === (12) 4 Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm ϕ - góc hợp bởi đường tiếp tuyến với đường parabol tại điểm đang xét và trục Ox. Từ phương trình (12) ta có: dy = xdx g 2 ω (13) Tích phân phương trình (13) trong giới hạn từ y ÷ H và x ÷ R, ta được: H – y = )( 2 22 2 xR g − ω (14) Tại nắp ứng với y = h và x = ro, ta có: H – h = )( 2 0 2 2 rR g − ω (15) Trên sơ đồ ta thấy H – h = ho, vì vậy: ho = )( 2 0 2 2 rR g − ω (16) áp suất chất lỏng tác dụng lên nắp máy theo phương trình thẳng đứng giới hạn bởi hình vành khăn có bán kính r thay đổi trong giới hạn từ ro ÷ R. áp suất này được tạo nên do lực ly tâm ép chất lỏng theo khe hở lên phía trên. Do khe hở chứa chất lỏng nhỏ, ta có thể coi áp suất phân bố trên phân tố thể tích đều theo các phương, vì vậy áp suất tác động lên nắp máy có thể lấy gần đúng bằng áp suất ly tâm, nghĩa là: p = )( 2 22 2 o rr g − γω (17) Lực tác động vào vi phân diện tích hình vành khăn theo phương thẳng đứng là: dP = pFv = p.2 π rdr = )( 2 0 2 2 rr g − γω πrdr (18) Thực hiện phép tích phân phương trình (18) trong giới hạn từ 0 ÷ P và r ÷ R, ta xác định được lực tác động lên nắp máy: P = )( 2 2 0 2 2 rr g − γω (R 2 – r 0 2 ) 2 (19) Thay giá trị h 0 từ phương trình (16) vào (19), ta được: P = 2 2 ω πγ o gh (20) Để nắp máy được giữ chặt với thân cần bố trí các vít sao cho đủ chống được lực P. 5 Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm 3.1.2. Thiết bị thanh trùng sản phẩm đóng gói Quá trình thanh trùng các sản phẩm đóng gói đồ hộp như hộp sắt, chai, can được tiến hành theo trình tự như sau: Đưa đồ hộp vào thiết bị thanh trùng, nâng nhiệt độ sản phẩm và thiết bị từ nhiệt độ bình thường đến nhiệt độ thanh trùng và giữ ở nhiệt độ đó trong một thời gian nhất định, sau đó hạ nhiệt độ xuống 30 ÷ 50 0 C và lấy đồ hộp ra khỏi thiết bị. Mỗi loại đồ hộp đều có chế độ thanh trùng riêng và được được biểu diễn theo các ký hiệu chung sau đây, còn gọi là “công thức” thanh trùng: P t CBA 0 −− (21) A- thời gian nâng nhiệt độ B- thời gian giữ nhiệt độ C- thời gian hạ nhiệt độ t 0 - nhiệt độ thanh trùng P- áp suất đối kháng được tạo ra để cho hộp khỏi bị phồng hoặc bật nắp. Ví dụ 1: Công thức thanh trùng nước nhãn đường trong hộp số 10 là: C o 100 15135 −− Công thức trên được hiểu như sau: nhiệt độ thanh trùng sản phẩm là 100 0 C, thời gian nâng nhiệt độ trong thiết bị từ khi cho hộp vào đến khi đạt được nhiệt độ thanh trùng là 5 phút, sau đó giữ ở nhiệt độ ấy trong thời gian 13 phút và làm nguội sản phẩm trong thiết bị xuống nhiệt độ 40 ÷ 50 0 C trong thời gian 15 phút. Ví dụ 2: Công thức thanh trùng đậu Côve trong lọ thuỷ tinh CKO-83 có dung tích 0,5lít là: 5,2 120 252525 C o −− Nhiệt độ thanh trùng là 120 0 C, thời gian nâng nhiệt độ, giữ nhiệt độ và hạ nhiệt độ là 25 phút, áp suất đối kháng tạo ra trong thiết bị là 2,5 at. Để xác lập được chế độ thanh trùng thích hợp đối với từng loại sản phẩm cần phải lựa chọn nhiệt độ thanh trùng và thời gian thanh trùng thích hợp. Nhiệt độ thanh trùng được lựa chọn dựa vào loại vi sinh vật và môi trường có độ pH mà vi sinh vật đó tồn tại và phát triển. Khi pH > 4,5 như đồ hộp thịt, cá, sữa thì cần thanh trùng ở nhiệt độ cao khoảng 100 ÷ 121 0 C. Khi pH < 4,5 như đồ hộp rau quả, cà chua, rau dầm dấm,… cần thanh trùng ở nhiệt độ thấp, khoảng 80 ÷ 100 0 C. Thời gian thanh trùng đồ hộp được xác định như sau: τ = τ 1 + τ 2 (22) 6 Chuyên đề thiết bị bảo quản - chế biên nông sản thực phẩm τ- thời gian thanh trùng. τ 1 - thời gian truyền nhiệt từ môi trường đun nóng vào trung tâm hộp phụ thuộc vào kích thước và hình dáng hộp. Ví dụ, với hộp hình trụ: τ 1 = A(8,3 HD +D) 2 (23) A- hệ số thực nghiệm H, D- chiều cao và đường kính ngoài của hộp, m. τ 2 - thời gian tiêu diệt vi trùng phụ thuộc vào nhiệt độ thanh trùng, số lượng và loại vi sinh vật có trong hộp. Khi nhiệt độ thanh trùng cao thì thời gian τ 2 ngắn và ngược lại. Mặt khác, khi số lượng vi sinh vật nhiều và loại vi sinh vật khó tiêu diệt thì thời gian tiêu diệt càng dài. Quan hệ giữa thời gian tiêu diệt τ 2 và số lượng vi sinh vật x được biểu diễn bằng phương trình vi phân: 2 τ d dx = - kx (24) k- hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào loại vi sinh vật và tính chất đồ hộp. Sau khi thực hiện tích phân ta được: τ 2 = m M k ln 1 (25) M- số lượng vi sinh vật ban đầu; m- số lượng vi sinh vật sau thời gian tiêu diệt τ 2 4.Kết luận và kiến nghị 4.1. Kết luận Sau quá trình thực hiện chuyên đề Tôi có nhưng nhận xét như sau: - Việc áp dụng các nguyên lý và số liệu tính toán vào công nghệ thanh trùng trong thực tiển là phù hợp. - Do thời gian hạn chế và năng lực thực hiện nên còn có nhiều thiếu sót. - Do việc khảo sát thực nghiệm còn ít nên chuyên đề còn mang nặng tính lý thuyết. 4.2. Kiên nghị Trong những năm gần đây ngành chăn nuôi bò sữa ngày càng được quan tâm cho nên vấn đề than h trùng và bao tiêu sản phẩm cho người dân rất là cần thiết. Cần phải nghiên cứu cà chế tạo ra nhiêu máy móc trang thiết bị phục vụ cho công nghiệp, đưa khoa học kỹ thuật đến với từng người dân 7 . đề: “ Cơ sỡ lý thuyết của quá trình thanh trùng, lý thuyết tính toán cho thiết bị thanh trùng sản phẩm không đóng gói, sự khác và giống nhau khi thanh trùng sản phẩm đóng gói. ” 2. Đối tượng và phương. dung nghiên cứu 3.1. Lý thuyết tính toán một số thiết bị thanh trùng 3.1.1. Thiết bị thanh trùng sản phẩm không đóng gói a) Tính toán nhiệt học Đối với thiết bị thanh trùng trực tiếp dạng bản. thực phẩm 3.1.2. Thiết bị thanh trùng sản phẩm đóng gói Quá trình thanh trùng các sản phẩm đóng gói đồ hộp như hộp sắt, chai, can được tiến hành theo trình tự như sau: Đưa đồ hộp vào thiết bị thanh