--膜分離的操作是指使用膜來分離二個同質或異質的相,因此膜在分離過程中亦可以稱為第三相,簡單來說即是利用膜將進料端與出料端區分成兩相,再施以一個驅動力(driving
force)促使物質通過膜
--驅動力常見為壓力差、濃度差、溫度差、電位差或是合併數種驅動力,藉由不同物質通過膜的速率有所不同.因而達到分離的目的
2017年9月27日 星期三
107-12-13/20-混合乳化
混合(Mixing)與乳化
一.
前言
選擇適當的混合機械除了達成混合目的外,原料的物性(包括比重、黏度、粒度、表面張力、混潤性等)以及化學特性亦要考慮。
二. 混合操作類型
依原物料特性不同,混合操作一般可區分為:
1.
攪拌(agitation) :以高速度將低黏度液體加以混合,屬於較強的混合方法。
2.
捏糅(kneading) :以搓糅之手段,使高黏性半固體之食品加以混合,並同時進行伸展、拉展、折疊等動作之方法。
3.
乳化(emulsification) :使二種或二種以上之液相或懸浮液,經混合或均質化(homogenization)處理,使成為安定乳化液(emulsion)的混合方法。
4.
摻和(blending) :將固體或液體成分與粉末物料充分達成均勻分布之狀態,進行單純的混合、溶解、分解等操作之方法。
1.
攪拌 (Agitation)
攪拌操作多用於低黏度且易互溶之液體間的混合處理。液體食品受攪拌之效率,隨其流速之增加而提高,當液體食品流動緩慢呈線流時,可能有攪拌不完全的現象;但流速過大時,則會在槽內產生漩渦,而使食品包入過量空氣,此現除對好氧發酵有所幫助外,然而氧化作用可能會引起食品成份的品質劣化,這是攪拌操作上要注意之處。
2. 捏揉(kneading)
◎高黏度食品材料的混合稱為捏揉,然而高黏度的食品通常具有可塑性(plasticity),經適當地搓揉與擠壓後,可促進製品之物理質地,提高製品的可塑性,例如麵團之揉合、魚漿擂潰等,均具有促進蛋白質成膠性之功能。
◎高黏度材料需要強力混合,使用適宜之捏合機(kneader)能達成剪斷、摺疊、伸展、拉裂、搥搗等操作。若捏揉的目的僅於使食品中各成分或新添加之成分均勻化,則視之為混合操作,例如奶油中加鹽、奶油與糖粉拌合,巧克力之均勻化等。
◎此外,捏揉亦可是為固體(粉末)和液體的混合。例如麵粉加水後的捏揉過程可分為三個階段,(1)麵糰展開期、(2)麵糰耐剪期、(3)麵糰軟化期。第一階段麵粉因吸水形成糰狀;第二階段表示經適合速度與時間捏揉後,展開後的麵糰較具可塑性,可承受外界施予的功量(work),故此期又稱安定期。繼續施以捏揉達第三階段,麵糰之可塑性可能崩潰,糰性將會喪失。捏揉操作在食品工廠廣泛地使用於麵粉加工品、巧克力、糕餅、乳製品、糊狀物、煉製品等的製造。
3. 乳化Emulsification
均態物質(homogenous matter)內所有分子彼此有均勻的吸引力可形成相(phase),而同相的分子極易相互吸引而凝聚成團。至於非均態物質,因分子間的吸引力不相等,出現界面(interface)或表面(surface)無法成同相,如此分子較難互相凝聚,如水相與油相、水相與氣相。界面乃表示任何相一兩 相間之界限面,而表面則指液相與氣相之界限面。液體與他種液體或固體接觸面所引起的張力,則稱為界面張力(interface
tension);液體與氣體接觸面所引起的張力,稱為表面張力(surface
tension)。
◎乳化(emulsification)處理之目的是使互不溶的兩種液體,經由激烈拌合後,使其中一種液體以細緻的微粒分散存在於另一種液體中,此混合之液體稱為乳化液(emulsion)。
◎
因為乳化液是由原來互不相溶的液體(例如:油和水),在油水分離的狀態下,此時兩溶液之間的界面接觸面積最小,整體之自由能最小,是熱力學上最穩定的狀態。
◎
若將該二種互不相容之液體用力搖動,則二者交界面首先變形,如此使兩液界面接觸面積增加,使其中一種液體以液滴型態分散於另一液體中,稱為分散相(disperse phase),分散於另一種連續相(continuous phase)之液體中,此過程稱為乳化,所形成的物質稱為乳化液。
4.
摻和
(Blending)
在食品工業生產中,摻和處理常應用在固體或粉體原料的混合,將不均勻之物料混合均勻來完成製程。例如咖啡豆、蛋糕粉、湯粉、調製乳粉、麵粉中之添加劑及嬰兒食品中添加營養劑等之調製。摻和作業除需原料有高度均一性外,尚需要求混合速度快,故其處理方法及機具選用應視粒狀或粉體特性而定。影響摻和效率之因素有粒徑、形狀、比重、黏著性、凝聚性、表面光滑度及水分含量等因子。要注意的是粒徑相同比重較大之顆粒,或是比重相同但粒徑小而圓形者,易產生向下分離現象(segregation),如此完成摻和會較為費時。當摻合處理趨於最佳效果時,應即時包裝,如果繼續摻和,則可能導致反混合使均勻度反而下降。
107-11-29-第十章 乾燥
第十章 食品乾燥工程
1. 食品乾燥目的:去水.耐藏.成品多樣化.減積
水活性(aw)之定義:密閉系統中食品系統之平衡水蒸汽壓(P)與同溫度下純水之飽和水蒸汽壓(P0)之比值。或以平衡相對溼度(equilibrium
relative humidity, ERH)表示。因此,純水之水活性為 1。Aw0.8到0.85範圍內,細菌受到仰制;酵母於Aw0.75到0.80範圍內不發育;Aw在0.70到0.75時黴菌停止發育;Aw0.7以下可完全仰制微生物發育。但乃能進行酵素反應.褐變反應.脂肪氧化反應。※在高溫下水活性較在低溫下高
2. 食品組織成份中,除水分外可分為水溶性成分、半水溶性、非水溶性成份三大類。水溶性→糖分、酸味成分及可溶性礦物質及鹽分
伴水溶性→高分子性之糖類、蛋白質類
非水溶性→油脂類、非水溶性礦物成分類
3.半乾性食品:含水量約30到50%,食取方便感官佳
4.食品水分特性:
a.種類→自由水、毛細管水、強結合水(一般乾燥不易去除)
b.擴散作用、毛細作用 c.乾燥引起:收縮及表面硬化
5.乾燥原理:
a.基本術語:含水率表示法分;濕重基準法及乾重基準法(使用較多)
b.平衡含水量:食品之水分含量達平衡而穩定不變
c.自由水含量:食品達到平衡含水量時所損失的重量,稱為該食品在該狀態下之自由水含量
6.乾燥三階段:
a.預備乾燥期:食品表面狀態與熱空氣間,相互平衡之時期
b.恆率乾燥期:表面水分充裕、蒸發作用穩定快速 c.減率乾燥期:表面水分含量不足,而呈乾燥狀態食品表面溫度與熱空氣溫度接近。
初期:毛細管現象為主 後期:液體擴散為主(表面已呈乾燥狀)
7.支配恆率乾燥期長短之因子:乾燥面積、熱空氣與乾燥物之溫差、濕度差、熱傳係數、質量傳送係數。
支配減率乾燥期長短之因子:物體體積和形狀、水分擴散係數、含水率
10.乾燥學說:
a.由毛細管力量所致使之水分移動論(毛細孔現象→孔隙度大者)
b.由內外濃度差所造成的液體擴散論
c.由內外蒸氣分壓差所造成的蒸氣擴散論
d.由食品內部吸附之水層所致之擴散論
11.乾燥方法及裝置:
a.熱風乾燥法;使用熱風乾燥裝置,乃採用熱空氣之高溫能提高食品之水蒸氣壓及本身之低濕度之特性,來達到將食品水分排除。
種類:(1)熱風乾燥機
(2)分批式熱風乾燥機:包括組件→鼓風系統、加熱系統、食品置放架
保溫箱;優點:可有效控制溫度與流速
(3)隧道式乾燥機
(4)迴轉式乾燥機:可適用於熱定性較大的材料。如:砂糖、咖啡豆
b.流動床乾燥法:使用流動床乾燥機,原理與流動床冷凍乾燥機相同
目地:利用高壓空氣,將食品吹成流動狀,加速熱風與食品間熱傳率
適用:可被吹的動之食品。如:榖類、肉丁、豆類、咖啡粉
優點:速度快易控制。
缺點:在攪拌時,部分未充分乾燥之製品亦被流入製品之中。
c.氣流乾燥法:使用氣流乾燥機,為一種將粒狀或粉狀潮濕食品,以熱空氣 吹散並行乾燥之方法。是由乾燥氣管、粉品分離機、空氣加熱機、鼓風機組成。
優點:粉粒狀食品,表面積大溫度未達熱空氣之濕球溫度前表面水分已蒸
蒸發,故乾燥速率快。 適用:榖類、澱粉、馬鈴薯粉、肉丁等。
d.泡沫乾燥法:使用泡沫乾燥機,為產果汁、咖啡、牛奶等而設計的,復水
性佳又無焦味之特點。
e.鼓形乾燥法:使用鼓形乾燥機,主體為橫臥圓筒體,以熱水或其他熱媒通
過,設法將泥狀材料塗抹在筒體外,食品遇熱水分及蒸發製滾筒另 一邊時,食品已乾燥,經刮刀下即為產品。
鼓形乾燥機可分為3種:單鼓式、双鼓式、對鼓式
※影響乾燥速度及含水率因子:鼓體轉速、鼓面溫度、食品膜層厚度
優點:乾燥速率快、熱能利用率高; 缺點:僅限於液體或泥狀之食品
適用:飼料用之奶粉、湯粉、麥片粉、酵母粉等。
f.真空乾燥法:使用真空乾燥機,使食品與大氣水蒸氣壓差趨近0,則食品
在最低熱傷害之溫度下行脫水乾燥。
適用:果汁、蕃茄漿、咖啡精製造
g.凍結乾燥法:使用凍結乾燥機,將食品在凍結點以下之溫度凍結後,於真
空條件下,將食品中水分已昇華之狀態排除之乾燥法。
優點:維持固有形狀、不發生變色、風味不變、不失原有營養分、復水性
特佳、耐藏性高、運輸成本低。
缺點:產品易回朔、產品易被氧化及變質、一脆裂、易發生物理變性、包
裝成本貴。
相關理論:(1)冰之蒸發及水之擴散 (2)加熱與乾燥速度之理論
(3)因為本乾燥模式為低壓下,冰點下無法以一般乾燥曲線說
明。
依氣體運動:Vmax=P(1/2πnRT) 1/2
若以毛細管現象表示流動速度: Vm=a/L △P(Pm+b)
凍結乾燥法之應用:因具復水性佳,耐藏性及品質安定性,故為製造速食
之優良法。如:咖啡粉、茶粉、肉、魚蝦、高貴蔬菜等…
h.噴霧乾燥法:使用噴霧乾燥機,將液體食品作成直徑10到100μ之務滴狀
而曝露於高溫度下,在極短時間內即可充分乾燥。
原理:霧滴化食品之單位體積所持有之表面積比值很大,以霧滴曝露於
高溫空氣下,由於及大溫度差,則具有強大的乾燥推動力,使乾燥
時間加快以秒為單位的程度。
噴霧乾燥機組之組成:霧化系統、乾燥室、製品回收系統、熱空氣供應
系統(熱能來源:燃料油、過熱蒸氣、電熱及天然氣4種)
影響因子:(1)乾燥物直徑
(2)霧滴與熱空氣是否充分混合以發揮熱傳效率
(3)乾燥式:a順流式 b對流式 c混合式
食品工業上之應用:音產品受熱破壞較少,復水性佳特佳、可用在製造
奶粉(全脂及低脂)、乳清粉、冰淇淋粉、奶油粉、乾酪粉、嬰兒乳
品、蛋粉(全蛋及蛋白)等…
107-11-15- 第九章 蒸發(evaporation)& 濃縮(concentration)
Chap
9 蒸發與濃縮
A.前言269-270
1.定義: 蒸發(evaporation)&蒸餾(distillation)。
2.蒸發作業改進: (1).熱能使用經濟性;(2).蒸發熱的回收利用(3)蒸發裝置改良
3. )蒸發裝置à蒸發罐 (熱交換器;最簡式:p.280-fig9.4)及周邊à冷凝器、真空pump、霧沫分離器、排氣閥等(p.300-303)。
B蒸發與濃縮(concentration )目的 : ① 降低含水率② 儲存性↑③ 體積↓④ 特殊目的 ⑤ 注意a. 能源再使用b. 因加熱影響品質c. 壓力改變 → 低溫濃縮
C.影響溶液沸點因素
1.大氣壓 2.溶質濃度(因濃縮而提高, 例:圖9-1 3.靜水壓 4.真空度p.278。
D.食品特性如何影響蒸發作業p275-277
1. 食品黏度 : 太高會妨礙循環對流速度和K值。原液初黏度小,但隨濃縮↑,熱傳速率越慢。
2.鍋垢 : 溶液受熱在表面留下一層不溶性食品固形物,是為鍋垢。熱傳面受積留而增厚,總括熱傳係數↓。3.起泡性 : 食品沸騰產生泡沫,形成原因在於水蒸氣、過熱溶液及懸浮固形物間之表面張力。可添加表面活性劑或機械式攪破。4.熱敏感性 : 濃縮時蒸發罐沸騰溫度宜低,受熱時間短。採用真空蒸發罐降低內壓或薄膜蒸發器。5. 香氣成分之揮發 : 果汁濃縮時香氣隨蒸氣損失,應分批蒸餾冷凝水回收,加回補足香氣。6.腐蝕性 : 慎選建材 ( 如不銹鋼
)防止污染。採用強制循環蒸發器,加熱面積小、總括K大、接觸時間短,造價省。
E. 蒸發溶液之熱量平衡及質量平衡
△ 熱量平衡 : ◎. 設無任何熱能損失
熱媒蒸氣放出冷凝潛熱 = 溶液升溫之顯熱 + 水分蒸發之潛熱
Viλs = Li
Cp ( tb – ti ) + Voλv
△ 質量平衡 :
進入質量 = 流出 Li = Vo + Lo
僅平衡液體 Li ( 1 – xf ) = Lo
( 1 – xp ) + V0
|
|
▲
影響溶液沸點之因子 :
1.
外在壓力 : 100℃ 時純水之蒸氣壓為1a tm。繼續受熱即開始沸騰蒸發。
△
真空蒸發 : 用真空裝置下降至1atm以下時,是溶液於較低溫
下亦會蒸發沸騰。
2.
溶液之沸點上昇現象 ( B.P.R ) : 蒸發時,水分散失、濃度上升、沸點提
高之現象。
3. 蒸發液深度 :
△ 靜水壓 ( Hydrostatic heat ) : 液之深度與溶液密度之函數。
底壓 : P = Ps + ΔHρ
*. Ps : 液面壓 ΔH : 液深
▲ 熱交換器的特色、應用
1. 二重鍋 : 熱傳面積有限,效果亦非甚佳。不適高壓加熱。
△ 構造簡單且價廉,製程中常用。
2. 管式熱交換器 : 可供流動性良好之液體加熱使用,使用時視是否易於清
洗及殺菌之難易決定採用之型式。
△管盤於內外皆可,但外較好清洗。
△蛇管式 - 小型工廠 : 牛乳、酒類、醬油、果汁殺菌。
△多管式 - 大型工廠 : 糖液或果汁之蒸發、酒精蒸餾裝置。
3. 枝式熱交換器 : 板之傳熱面積廣大並為波浪起伏。短時間可完成熱
交換。呈湍流輸送,加熱板面不滯留罐垢,易清洗。
4. 旋轉式熱交換器 ( 刮板式 ) : 有刮板不停刮動,食品傳熱相當均勻,
適合高黏性食品。
△ 傳熱快 +
攪拌功能,對可塑性食品原料質地可形成細緻狀態。
△ 食品工業
: 酥油、豬油、可可油、濃桔汁、加糖煉乳之析晶處理。
△ 加熱 : 嬰兒食品、濃果漿、液蛋殺菌。
△ 乳化拌合處理 : 沙拉醬、蛋清之打發 、蛋糕糊、裝飾奶油糊之製作。
107-10-26-第三四次作業 (第五六章 筆記 習題) 請於10月27(甲乙班皆要) 5pm前交至系館2樓
[第三次作業]
-- 第五六章 筆記重點
-重點整理(你自己的重點與感想整理, 不限篇幅,
--- 成績 A(85以上)B(85-75)C(75-65)D(65-55)E(55以下)
------ 請於10月26(甲乙班皆要) 5pm前交至系館2樓楊老師研究室 逾時不候
[第四作業]
第五六章 習題作業
------ 請於10月26(甲乙班皆要) 5pm前交至系館2樓楊老師研究室 逾時不候
1.有關 微波 ( microwave )加熱 a. 微波加熱原理? b. 微波爐為什麼不能用金屬容器加熱食物? c. 微波爐有外洩微波的危險嗎? d. 為什麼要固定微波頻率?
2.有關紅外線加熱 a. 加熱原理? b.紅外線為什麼很少用在全程加熱食物?
3.什麼是 a. 生質(biomass)能源? b. 舉個例子說明.
4.有關太陽能(可參考https://www.youtube.com/watch?v=BtbASIJmsjE). a. 請解釋我們要如何利用太陽能? b. 食品工廠可用太陽能嗎? 請舉3例並解釋.
5.a請檢視 https://www.youtube.com/watch?v=Sdpcjm2vmLY, 請問這實驗的目的?
6. 請檢視https://www.youtube.com/watch?v=93-_JhGNn1Y, 請問右下角的example 在解釋並計算什麼?
7.請檢視https://www.youtube.com/watch?v=A_PC4OQZ19Y請問右下角的example 在解釋並計算什麼?
8.一直徑為10 cm的貢丸,其初溫為10℃,將其投入200 ℃熱油中,試算1小時後,其距表面1公分處的溫度為?若此貢丸比重0.5,比熱1.5;而熱油之薄膜傳熱係數h為100 kcal/m2-hr-℃,貢丸的熱傳導度為1.8×10-3 cal/cm-sec.℃
t : 加熱物末溫, T:熱媒溫度 θ:歷時 (min) R : 被加熱物r:被加熱物中心點至量測點距離t 0 : 加熱物初溫, ρ: 加熱物比重, Cp : 加熱物比熱, K : 物體熱傳導度,h : 對流薄膜係數.
Gurney – Lurie查表法重要參數 ① m = K / h×R ② n = r / R ③ x = ( K × θ) / ( ρ× Cp × R2) ④ 對出Y → 算出t在G-L線圖法x計算,距離單位為cm時間單位為min
107-10-24-第五章 熱傳遞 ( Heat Transfer )
第五章 熱傳遞 heat transfer
型式
① 傳導 ( 固體 ) conduction
③ 輻射 ( 不需介質 ) Radiation
參考
3 Methods of Heat Transfer
參考
Heat Transfer- Conduction, Convection, Radiation
3 Methods of Heat Transfer
② 方向 : 高 → 低溫。
③ 熱傳可含單一,兩種或三種組合 (傳導、對流、輻射)。
一. 熱傳導
⑴. 熱 傳遞速率
=q = - K × A〔( t末 - t初 ) / ( x2 - x1)〕 = - K × A ( Δt /Δx )
* 說明 :
K : 熱傳導度
K : 熱傳導度
Q : 熱(傳)量
x2-x1 : 距離
A:熱通過的截面積
A:熱通過的截面積
-- 加上負號滿足熱力學第二 定律,熱由高溫 → 低溫。
⑵.熱阻力 (thermal
resistance R)
因 -
q = - K × A × ( Δt / Δx ) =〔-Δt / ( Δx / K×A )〕 = -Δt / R
二. 對流 ( convection ) 由流動得流體 ( fluid ) 進行熱傳遞現象稱之。
◎. 牛頓研究對流提出冷卻公式 :
dTb / dt Tb – T∞
→ 又
QTb – T∞
→ q = h
× A × ( Tb-T∞
)
*. dTb / dt:單位時間物體的溫度變化
Tb:物體溫度
T∞:流體
Tb – T∞:物體與物體間溫差
h:對流傳導係數
A.強制對流 ( forced convection )
① 當ΔT溫度變化不大,h與ΔT無關。
B. 自然對流 ( natural convection )
① h會隨ΔT改變而改變。
三. 輻射 ( Radiation )
→ 物體熱能以電磁波形式釋出。此能量的通量強度隨物體的溫度與表面狀
況而定。
→ Stefan – Boltzmann 方程式 : Eb = σT 4
*. σ : Stefan – Boltzmann 常數
T4 : 絕對溫度
▲
表面狀況
⑴. 若兩者皆為黑體 ( black body )
輻射熱交換Qnet = Q1-2 – Q2-1
= S × A × ( T14 – T24)
*. Black body : 可完全吸收輻射熱的物體稱之。
→
也就是 black body 可吸收所有能但不反射。
⑵. 若物體1 ( 發散者 ) 可能散能至物體2以外的部份 , 則上式必須考慮形
狀因素 ( shape factor )。
Q net
= F 1-2 × S × A × ( T14-T24
)
熱傳遞 :模式分成 1. stable state beat transfer , 2. unstable state heat transfer
1.單位S時間內熱通量不變 → stable state beat transfer 定常熱傳
2.單位時間內熱通量會因時改變
→ unstable state heat transfer 非定常熱傳
i.
定常熱傳 :
Case 1 平板串聯傳導
前提 :
① 平板串聯
② Steady State →
上述 ,所以 Q1 /θ = Q2 /θ = Q3 /θ 。
③ q1 = Q /θ = K1 ×〔( A×Δt) /Δx1〕= Δt 1 /ΔR1
q2 = Q /θ= K2 × 〔( A×Δt) /Δx2〕= Δt 2 /ΔR2
q3 = Q /θ= K3 × 〔( A×Δt) /Δx3〕= Δt 3 /ΔR3
*.
q1 =q2 =q3
④Δt1 = RQ1 /θ,Δt2 = RQ2 /θ,Δt3 = RQ3 /θ,
Δt總 = t 1–t 4 = Δt 1 + Δt 2 + Δt 3 = Q /θ(
R1 + R2 + R3 )
例子p.104
Case 2 環璧熱傳
原理 :
∵ q
= ( - K × A ×
Δt ) /Δx
= -
Km × 〔( 2 – rm × π × L ) × Δt〕/Δx
*. Km : 平均熱傳導度 rm : 平均半徑
L :管長 r0: 外管半徑 ri內管
◆
Rm
求法 :
① 對數平均求法 ( logarithmic ),時機 : 當內外管徑差不大。
② 算術平均法 ( arithmetic ),時機 : 當內外管徑差頗大。
③ 查表法
ii.
非定常熱傳導計算 (
unsteady – state heat transfer ) :
⑴. 應用查表法 : Gurney – Lurie 線圖
⑵. 應用物形 :
infinite slab
無限平板
Infinite sphere
球體
Infinite long
cylinder 無限圓柱
⑶. 重要物理量 :
① 熱媒溫度 T
② 被加熱物由 to→T
③ 歷時 θ
④ 加熱物中心點至量測點距離
r
⑷. 本法基本原理 :
T – t / T – t 0 ﹛〔K×θ/ ( ρ×Cp×R2)〕 × ( r / R) × ( K / hR
) ﹜
|
*. t : 加熱物末溫,
T:熱媒溫度
θ:歷時 (min)
R : 被加熱物
r:被加熱物中心點至量測點距離
t 0
: 加熱物初溫,
ρ: 加熱物比重,
Cp : 加熱物比熱,
K : 物體熱傳導度,
h : 對流薄膜係數.
※
Gurney
– Lurie查表法重要參數
① m = K / h×R ② n = r / R
③ x = ( K × θ) / ( ρ× Cp × R2)
④ 對出Y → 算出t
※
在G-L線圖法x計算長度使用
單位為cm時間單位為min
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