食品加工过程中的单元操作ppt课件

食品加工过程中的单元操作*南京农业大学食品科技学院*引言Introduction 大多数的食品加工是由一系列的物理加工过程组成，并能被分为许多基本单元操作。 单元操作包括：物料输送、清洗、分离、粉碎、液体流动、混合、热传递、浓缩、干燥、成形、包装和过程控制*南京农业大学食品科技学院*物料传送MaterialsHandling 农牧场的收获、易腐食品的冷藏运输、活体动物的输送。需要保持卫生条件、减少损耗、保持原料质量、减少细菌生长。 工具：货车、拖车、采收设备等 图7-1*南京农业大学食品科技学院**南京农业大学食品科技学院*清洗Cleaning 包括用毛刷刷去固体表面的污物、去除液态食品中的细菌。 设备：刷子、高速气流、蒸汽、水、真空、磁力除铁、微虑和机械分离 图7-2*南京农业大学食品科技学院**南京农业大学食品科技学院*分离Separating 根据食品内部存在密度、大小和形状差异的原理实现。 如：乳清分离CreamSeparator 牛乳中脂肪和非脂肪固体存在密度差异，牛乳可被分离成脱脂乳和乳清。 澄清；膜处理（反渗透、超滤、微虑）*南京农业大学食品科技学院*粉碎SizeReduction 通过应用高剪切力、研磨、切割和切片等方式来实现。图7-4 肉的粉碎：绞肉机腌肉切片机立式斩拌机*南京农业大学食品科技学院**南京农业大学食品科技学院*泵送（液体流动）Pumping(FluidFlow) 液体输送主要是利用重力流量或泵的使用来实现。*南京农业大学食品科技学院*混合Mixing 主要是为了热传递或者组分合并*南京农业大学食品科技学院*热交换HeatExchanging 热或者供给食品（加热）或者移去食品热量（冷却）。 热处理可以杀死微生物、生产有益于健康的食品，通过破坏某些酶延长货架期，并使食品产生期望的口味、风味和外观。 热传递方法：传导；辐射；对流*南京农业大学食品科技学院*浓缩Concentration 浓缩通过蒸发和反渗透来实现。 蒸发(Evaporation)：通常涉及将液体放入真空状态的一个容器加热，从而引起水的相态变化使液体蒸发，然后水蒸气通过一个冷凝器回收水。 反渗透RO(ReverseOsmosis)：将液体食品通过孔径极小的半透膜并只允许水转移的一种加工方式。*南京农业大学食品科技学院*干燥Drying 1）日晒或盘车干燥sunortraydrying水果蔬菜 2）喷雾干燥spraydrying 速溶咖啡 3）冷冻干燥freezedrying 液态食品*喷雾干燥　　spraydrying　　系统化技术应用于物料干燥的一种方法。于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。　　喷雾干燥具传热快，水分蒸发迅速，干燥时间瞬间的特点，且制品质量好，质地松脆，溶解性能也好，能改善某些制剂的溶出速率，适用于热敏性药物，此外，喷雾干燥还可用于制备微囊。　　染料干燥广泛采用的方法。将染料雾化而去除水分的干燥方法。适用于各类染料的干燥。可以干燥染料细粉、超细粉、无粉尘粉剂及空心颗粒剂。按染料雾化方式可分为三类：（1）气流式雾化，利用压缩空气或水蒸气使料液雾化；（2）压力式雾化，用高压泵把料液从喷嘴高速压出，形成雾状；（3）旋转式雾化，用料液加到雾化器内高速旋转的甩盘（7000～20000r/min）中，将料液快速甩出而雾化。第三种方法的效果好，时间短，劳动生产率高，为染料界所青睐，其缺点是设备投资大，能耗较高。　又称升华干燥。将含水物料冷冻到冰点以下，使水转变为冰，然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。物料可先在冷冻装置内冷冻，再进行干燥。但也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻。升华生成的水蒸气借冷凝器除去。升华过程中所需的汽化热量，一般用热辐射供给。其主要优点是：（1）干燥后的物料保持原来的化学组成和物理性质（如多孔结构、胶体性质等）；（2）热量消耗比其他干燥方法少。缺点是费用较高，不能广泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。　　含水的生物样品，经过冷冻固定，在低温高真空的条件下使样品中的水分由冰直接升华达到干燥的目的，在干燥的过程中不受表面张力的作用，样品不变形。　　真空冷冻干燥技术是将湿物料或溶液在较低的温度（－10℃～－50℃）下冻结成固态，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不经液态直接升华成气态，最终使物料脱水的干燥技术。中国是原料药生产大国，因此该技术应用前景十分广阔。但是，应当引起注意的是，近年来真空冷冻干燥技术在我国推广得非常迅速，相比之下，其基础理论研究相对滞后、薄弱，专业技术人员也不多。并且，与气流干燥、喷雾干燥等其他干燥技术相比，真空冷冻干燥设备投资大，能源消耗及药品生产成本较高，从而限制了该技术的进一步发展。因此，切实加强基础理论研究，在确保药品质量的同时，实现节能降耗、降低生产成本，已经成为真空冷冻干燥技术领域当前面临的最主要的问题。[编辑本段]■技术优势　　由于真空冷冻干燥在低温、低压下进行，而且水分直接升华，因此赋予产品许多特殊的性能。如真空冷冻干燥技术对热敏性物料亦能脱水比较彻底，且经干燥的药品十分稳定，便于长时间贮存。由于物料的干燥在冻结状态下完成，与其他干燥方法相比，物料的物理结构和分子结构变化极小，其组织结构和外观形态被较好地保存。在真空冷冻干燥过程中，物料不存在表面硬化问题，且其内部形成多孔的海绵状，因而具有优异的复水性，可在短时间内恢复干燥前的状态。由于干燥过程是在很低的温度下进行，而且基本隔绝了空气，因此有效地抑制了热敏性物质发生生物、化学或物理变化，并较好地保存了原料中的活性物质，以及保持了原料的色泽。[编辑本段]■基础理论研究　　目前，我国真空冷冻干燥设备趋于完善，但与发达国家相比，该技术基础理论的研究显得滞后和薄弱，阻碍了技术应用水平的提高。因此，研究的重点正向这方面转移。目前，研究的焦点集中在真空冷冻干燥的物性参数及其影响因素、过程参数、过程机理和模型、过程优化控制等的研究。　　真空冷冻干燥技术的基本参数包括物性参数和过程参数，它们是实现真空冷冻干燥过程的基础。这些数据的缺乏会使干燥过程难以实现针对原料的优化，不能充分发挥系统效率。物性参数指物料的导热系数、传递系数等。这方面的研究内容包括物性参数数据的测定及测定方法，以及环境条件压强、温度、相对湿度和物料颗粒取向等对物性参数的影响。过程参数包括冷冻、供热和物料形态等有关参数。对冷冻过程的研究意在为系统找到最优冷冻曲线。供热过程的研究则集中在两方面：一是对原料载体的改良；二是加热方式(传热方式和供热热源)的选择。确定恰当的物料形态也是重要的研究内容，它包括原料的颗粒形态和料层厚度等。　　从热量传递和质量传递入手研究真空冷冻干燥的机理，并建立相应的数学模型，有助于找出过程的影响因素，预测时间、温度及蒸气压强的分布状况。目前的研究主要限于均质液相，并提出了一些数学模型，如冰前沿均匀退却模型、升华模型、吸附-升华模型等。这些模型虽然对真空冷冻干燥的过程作了不同程度的描述，但在实际应用中仍然存在许多限制条件。过程优化控制是建立在上述数学模型的基础上的。控制又有准稳态模型和非稳态模型之分。[编辑本段]■生产工艺　　由于生物制品和药品的冻干工艺比较复杂，为保证冻干产品的质量和节能，在生产过程中需要严格控制预冻温度、升华吸热等，使冻干过程各阶段按照预先制订的工艺路线工作。　　*应用提示一：保持合理的预冻温度　　在真空冷冻干燥过程中，需要先对被干燥的药品进行预冻，然后在真空状态下，使水分直接由冰变为气而使药品干燥。在整个升华阶段，药品必须保持在冻结状态，否则就不能得到性状良好的产品。在药品预冻阶段，要严格控制预冻温度（通常比药品的共熔点低几度）。如果预冻温度不够低，则药品可能没有完全冻结，在抽真空升华时会膨胀起泡；若预冻温度太低，不仅会增加不必要的能量消耗，而且对于某些生物药品，会降低其冻干后的成活率。　　*应用提示二：关注升华吸热　　在干燥升华阶段，物料需要吸收热量（每克冰完全升华成水蒸气约吸收2.8千焦耳的热量）。如果不对药品进行加热或热量不足，则在水分在升华时会吸收药品本身的热量而使药品的温度降低，致使药品的蒸气压降低，于是引起升华速度的降低，整个干燥的时间就会延长，生产率下降；如果对药品加热过多，药品的升华速率固然会提高，但在抵消了药品升华所吸收的热量之后，多余的热量会使冻结药品本身的温度上升，使药品可能出现局部甚至全部熔化，引起药品的干缩起泡现象，整个干燥就会失败。　　*应用提示三：采用计算机自动化控制　　为了获得良好的冻干药品，一般在冻干时应根据每种冻干机的性能和药品的特点，在经过试验的基础上制订出一条冻干曲线，然后控制机器，使冻干过程各阶段的温度变化符合预先制订的冻干曲线。目前，真空冷冻干燥的生产过程控制可借助于计算机来控制生产系统按照预先设定的冻干曲线工作。如计算机对链霉素硫酸盐的冻干过程控制可分为两个阶段：第一阶段，在低于熔点的温度下，将水分从冷冻的物料内升华，约有98%～99%的水分均在此时被除去。第二阶段，将物料温度逐渐升到或略高于室温，经此阶段水分可以减少到低于0.5%。此过程预冻温度为－40℃左右，时间约两小时。冻干药品的干燥升华阶段，物料温度约为－30℃～－35℃，绝对压强约为4～7帕。链霉素的最终干燥温度可升至40℃，总干燥时间约18小时。采用计算机自动化控制系统，有助于保证药品符合质量要求。*南京农业大学食品科技学院*成形Forming 加工工艺：压实、压力挤压、成模、喷粉、粘合剂、加热、加压以及挤压蒸煮*南京农业大学食品科技学院*包装Packaging 作用：方便运输、配送、提高产品的使用价值，防止产品的微生物污染和灰尘污染、害虫侵入、避光、防湿干燥、防止风味损失和物理变化，促进销售。 材料： 金属、玻璃、塑料、纸、陶瓷*南京农业大学食品科技学院*过程控制Controlling 对单元操作进行检测和控制； 温度计，湿度计、压力计。。。*南京农业大学食品科技学院*单元操作的叠加 生产干燥的咖啡伴侣：混合液体流动粉碎（均质）热传递（加热）液体流动热传递（冷却）干燥（水分化为蒸汽）*喷雾干燥　　spraydrying　　系统化技术应用于物料干燥的一种方法。于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。　　喷雾干燥具传热快，水分蒸发迅速，干燥时间瞬间的特点，且制品质量好，质地松脆，溶解性能也好，能改善某些制剂的溶出速率，适用于热敏性药物，此外，喷雾干燥还可用于制备微囊。　　染料干燥广泛采用的方法。将染料雾化而去除水分的干燥方法。适用于各类染料的干燥。可以干燥染料细粉、超细粉、无粉尘粉剂及空心颗粒剂。按染料雾化方式可分为三类：（1）气流式雾化，利用压缩空气或水蒸气使料液雾化；（2）压力式雾化，用高压泵把料液从喷嘴高速压出，形成雾状；（3）旋转式雾化，用料液加到雾化器内高速旋转的甩盘（7000～20000r/min）中，将料液快速甩出而雾化。第三种方法的效果好，时间短，劳动生产率高，为染料界所青睐，其缺点是设备投资大，能耗较高。　又称升华干燥。将含水物料冷冻到冰点以下，使水转变为冰，然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。物料可先在冷冻装置内冷冻，再进行干燥。但也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻。升华生成的水蒸气借冷凝器除去。升华过程中所需的汽化热量，一般用热辐射供给。其主要优点是：（1）干燥后的物料保持原来的化学组成和物理性质（如多孔结构、胶体性质等）；（2）热量消耗比其他干燥方法少。缺点是费用较高，不能广泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。　　含水的生物样品，经过冷冻固定，在低温高真空的条件下使样品中的水分由冰直接升华达到干燥的目的，在干燥的过程中不受表面张力的作用，样品不变形。　　真空冷冻干燥技术是将湿物料或溶液在较低的温度（－10℃～－50℃）下冻结成固态，然后在真空（1.3～13帕）下使其中的水分不经液态直接升华成气态，最终使物料脱水的干燥技术。中国是原料药生产大国，因此该技术应用前景十分广阔。但是，应当引起注意的是，近年来真空冷冻干燥技术在我国推广得非常迅速，相比之下，其基础理论研究相对滞后、薄弱，专业技术人员也不多。并且，与气流干燥、喷雾干燥等其他干燥技术相比，真空冷冻干燥设备投资大，能源消耗及药品生产成本较高，从而限制了该技术的进一步发展。因此，切实加强基础理论研究，在确保药品质量的同时，实现节能降耗、降低生产成本，已经成为真空冷冻干燥技术领域当前面临的最主要的问题。[编辑本段]■技术优势　　由于真空冷冻干燥在低温、低压下进行，而且水分直接升华，因此赋予产品许多特殊的性能。如真空冷冻干燥技术对热敏性物料亦能脱水比较彻底，且经干燥的药品十分稳定，便于长时间贮存。由于物料的干燥在冻结状态下完成，与其他干燥方法相比，物料的物理结构和分子结构变化极小，其组织结构和外观形态被较好地保存。在真空冷冻干燥过程中，物料不存在表面硬化问题，且其内部形成多孔的海绵状，因而具有优异的复水性，可在短时间内恢复干燥前的状态。由于干燥过程是在很低的温度下进行，而且基本隔绝了空气，因此有效地抑制了热敏性物质发生生物、化学或物理变化，并较好地保存了原料中的活性物质，以及保持了原料的色泽。[编辑本段]■基础理论研究　　目前，我国真空冷冻干燥设备趋于完善，但与发达国家相比，该技术基础理论的研究显得滞后和薄弱，阻碍了技术应用水平的提高。因此，研究的重点正向这方面转移。目前，研究的焦点集中在真空冷冻干燥的物性参数及其影响因素、过程参数、过程机理和模型、过程优化控制等的研究。　　真空冷冻干燥技术的基本参数包括物性参数和过程参数，它们是实现真空冷冻干燥过程的基础。这些数据的缺乏会使干燥过程难以实现针对原料的优化，不能充分发挥系统效率。物性参数指物料的导热系数、传递系数等。这方面的研究内容包括物性参数数据的测定及测定方法，以及环境条件压强、温度、相对湿度和物料颗粒取向等对物性参数的影响。过程参数包括冷冻、供热和物料形态等有关参数。对冷冻过程的研究意在为系统找到最优冷冻曲线。供热过程的研究则集中在两方面：一是对原料载体的改良；二是加热方式(传热方式和供热热源)的选择。确定恰当的物料形态也是重要的研究内容，它包括原料的颗粒形态和料层厚度等。　　从热量传递和质量传递入手研究真空冷冻干燥的机理，并建立相应的数学模型，有助于找出过程的影响因素，预测时间、温度及蒸气压强的分布状况。目前的研究主要限于均质液相，并提出了一些数学模型，如冰前沿均匀退却模型、升华模型、吸附-升华模型等。这些模型虽然对真空冷冻干燥的过程作了不同程度的描述，但在实际应用中仍然存在许多限制条件。过程优化控制是建立在上述数学模型的基础上的。控制方案又有准稳态模型和非稳态模型之分。[编辑本段]■生产工艺　　由于生物制品和药品的冻干工艺比较复杂，为保证冻干产品的质量和节能，在生产过程中需要严格控制预冻温度、升华吸热等，使冻干过程各阶段按照预先制订的工艺路线工作。　　*应用提示一：保持合理的预冻温度　　在真空冷冻干燥过程中，需要先对被干燥的药品进行预冻，然后在真空状态下，使水分直接由冰变为气而使药品干燥。在整个升华阶段，药品必须保持在冻结状态，否则就不能得到性状良好的产品。在药品预冻阶段，要严格控制预冻温度（通常比药品的共熔点低几度）。如果预冻温度不够低，则药品可能没有完全冻结，在抽真空升华时会膨胀起泡；若预冻温度太低，不仅会增加不必要的能量消耗，而且对于某些生物药品，会降低其冻干后的成活率。　　*应用提示二：关注升华吸热　　在干燥升华阶段，物料需要吸收热量（每克冰完全升华成水蒸气约吸收2.8千焦耳的热量）。如果不对药品进行加热或热量不足，则在水分在升华时会吸收药品本身的热量而使药品的温度降低，致使药品的蒸气压降低，于是引起升华速度的降低，整个干燥的时间就会延长，生产率下降；如果对药品加热过多，药品的升华速率固然会提高，但在抵消了药品升华所吸收的热量之后，多余的热量会使冻结药品本身的温度上升，使药品可能出现局部甚至全部熔化，引起药品的干缩起泡现象，整个干燥就会失败。　　*应用提示三：采用计算机自动化控制　　为了获得良好的冻干药品，一般在冻干时应根据每种冻干机的性能和药品的特点，在经过试验的基础上制订出一条冻干曲线，然后控制机器，使冻干过程各阶段的温度变化符合预先制订的冻干曲线。目前，真空冷冻干燥的生产过程控制可借助于计算机来控制生产系统按照预先设定的冻干曲线工作。如计算机对链霉素硫酸盐的冻干过程控制可分为两个阶段：第一阶段，在低于熔点的温度下，将水分从冷冻的物料内升华，约有98%～99%的水分均在此时被除去。第二阶段，将物料温度逐渐升到或略高于室温，经此阶段水分可以减少到低于0.5%。此过程预冻温度为－40℃左右，时间约两小时。冻干药品的干燥升华阶段，物料温度约为－30℃～－35℃，绝对压强约为4～7帕。链霉素的最终干燥温度可升至40℃，总干燥时间约18小时。采用计算机自动化控制系统，有助于保证药品符合质量要求。