Файл: 1. классификация пищевых процессов и основные законы, лежащие в их основе классификация пищевых процессов.pdf

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОЦЕССОВ
И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ИХ ОСНОВЕ
1.1. Классификация пищевых процессов
Под термином «процесс» понимают производственный процесс, когда исходные материалы в результате физического, химического, механического и других воздействий превращаются в пищевые продукты. Эти превращения сопровождаются изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и химического состава вещества.
Процессы протекают в технологических аппаратах или в машинах. Чаще всего аппарат представляет собой емкость, в которой неподвижно располагаются различные трубы, решетки, полки, кольца, тарелки, сепараторы для отделения капелек жидкости и т. д.
Иногда в аппаратах монтируют вращающиеся механизмы для перемешивания жидких сред.
В отличие от них машина – это механизм с внешним приводом, совершающий рабочими органами те же самые операции, которые выполняет человек подобными орудиями труда для совершения подобной работы.
В технологии пищевых производств используются одни и те же фундаментальные законы и методы расчета, характерные для химической технологии. Тем не менее специфика, связанная с пищевыми производствами, находит естественное отражение в изложении курса.
Процессы пищевых производств можно разделить на простые и сложные. Вместе с тем практически любой реальный процесс переработки продукта достаточно сложный. Он неизбежно включает не только процессы, относящиеся непосредственно к переработке, но и подготовительно-заключительные операции (подача продукта в рабочую зону и отвод из нее). Таким образом, почти каждый так называемый простой процесс можно разделить на еще более простые.
Само понятие
«процесс» предполагает некоторое преобразование материи, протекающее в пространстве и во времени.
Оно происходит под воздействием побуждающих факторов и характеризуется начальным и конечным состояниями. Каждый элементарный акт проявления побуждающего фактора и его воздействия на продукт можно рассматривать как процесс, который,

с одной стороны, является относительно простым, так как не приводит к полному преобразованию продукта, а с другой – допускает дальнейшее разбиение на более простые составляющие.
Введенное представление о степени сложности процессов, хотя и достаточно условное, позволяет относительно произвольно выделить удобные для рассмотрения и дальнейшего использования их модели, из которых при необходимости можно строить более сложные комбинации. Одно из таких удобных разбиений процессов пищевых производств – классификация по научным дисциплинам, методы которых служат основой для объяснения их закономерностей. Такой классификацией является разделение процессов на гидравлические, механические, гидромеханические, тепловые, массообменные, биохимические и микробиологические.
1. Гидравлические процессы. Реализуются при течении ньютоновских жидкостей по трубопроводам и элементам гидравлических систем, а также в гидравлических машинах – насосах и двигателях. Это весьма распространенный класс процессов, подчиняющихся специфическим закономерностям. Без изучения гидравлических процессов невозможно правильное понимание большинства процессов в пищевых производствах. Этим объясняется их включение в классификацию.
Течение неньютоновских жидкостей, к которым относятся многие продукты пищевых производств, изучает выделившаяся в самостоятельную науку реология. Неньютоновские жидкости в большинстве являются полимерами. Их механика – это целый мир своеобразных закономерностей, не имеющих аналогов в механике мономеров. Без их понимания невозможно понять многие процессы пищевых производств.
2. Механические процессы. К ним относят процессы измельчения (дробление и резание), сортирования, прессования и др.
Они протекают под действием механических усилий, а их результатом является изменение размеров частиц продукта. Эти процессы реализуются в мельничных комплексах, дробилках, крупорушках, терках, волчках, измельчителях овощей и корнеплодов, прессах, штампах, валковых и шнековых нагнетателях, устройствах сепарирования сыпучих веществ и др.
3. Гидромеханические процессы. К ним относят процессы перемешивания жидких и сыпучих продуктов, фильтрования, осаждения, мойки корнеплодов, пневмо- и гидротранспортирования,

псевдоожижения сыпучих продуктов и др. Они протекают под влиянием суммы механических (в частности, центробежных или гравитационных) и гидродинамических воздействий, а их результатом является пространственное перемещение отдельных агломератов продукта или элементов смеси продуктов. Эти процессы реализуются в пневматических и гидравлических классификаторах, фильтрах, осадителях, центрифугах, сепараторах, циклонах, пневмо-, гидро- и аэрозольных транспортирующих устройствах, гидромеханических моечных машинах, смесителях жидких и сыпучих продуктов, сушилках и др.
4. Тепловые и массообменные процессы. К тепловым процессам относят нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсацию, к массообменным – сушку, сорбцию, перегонку, кристаллизацию, растворение, экстрагирование, экстракцию и др.
Они протекают под действием разностей температур или концентраций веществ. Результатом их является перемещение в пространстве теплоты (тепловой энергии) или отдельных компонентов смеси веществ. Данные процессы реализуются в нагревателях, охладителях, абсорберах, адсорберах, перегонных устройствах (кубовые аппараты, ректификационные колонны и др.), выпарных аппаратах, сушилках, конденсаторах, кристаллизаторах, растворителях, экстракторах и др.
К тепловым процессам примыкают процессы получения холода. Они используют одни и те же термодинамические зависимости, одинаковые принципы решения теплотехнических проблем; часть теплотехнических устройств, используемых в них, являются одинаковыми.
5. Химические процессы. Многочисленные химические процессы пищевых производств выделены в самостоятельную группу, включающую биохимические и физико-химические процессы.
К биохимическим относят процессы ферментации, брожения, стерилизации, пастеризации, дезинфекции, промывки тары и ее чистки и др. Результатом этих процессов является изменение в объеме продукта или на поверхности тары концентрации сахаров, дрожжевых культур, бактерии и продуктов их жизнедеятельности, спор, загрязняющих веществ и др.
К физико-химическим процессам относят горение и взрывы.
Подробно они изучаются специальными научными дисциплинами.

В данном курсе дается лишь самое общее знакомство с ними, оправданное, в частности, необходимостью грамотной профилактики пожаро- и взрывоопасности мукомольных, комбикормовых и некоторых других производств.
Другой классификационный признак процессов пищевых производств – течение их во времени. Основные процессы пищевой технологии делятся по способу организации на периодические и непрерывные.
Периодические процессы характеризуются тем, что все стадии
(загрузка сырья, обработка и выгрузка готового продукта) осуществляются в одном аппарате, но в разное время.
Непрерывные процессы характеризуются тем, что все их стадии протекают одновременно, но разделены в пространстве, так как осуществляются либо в различных частях проточного аппарата, либо в разных аппаратах, составляющих данную установку.
Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими заключаются в следующем:
- отсутствуют затраты времени на загрузку исходного сырья и выгрузку готового продукта;
- появляется возможность создания качественной системы регулирования режимных параметров, что позволяет обеспечить более высокую стабильность качества готовой продукции;
- оборудование имеет меньшие габариты при равной производительности с периодически действующим оборудованием, что сокращает затраты на изготовление, ремонт, амортизационные отчисления, эксплуатацию и монтаж;
- повышается тепловой коэффициент полезного действия, так как при отсутствии перерывов в работе более полно используется подводимая теплота, нет потерь ее при разгрузке продукции;
- улучшаются условия обслуживания аппаратов путем устранения операций их загрузки и разгрузки, уменьшается потребность в обслуживающем персонале.
В зависимости от изменения параметров во времени
(скоростей, температуры, концентраций и др.) процессы могут быть разделены на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся
(нестационарные, или переходные).
При установившемся процессе значение каждого из параметров зависит только от положения рассматриваемой точки в аппарате, но не зависит от времени. В неустановившихся процессах

параметры переменные и зависят не только от положения рассматриваемой точки в объеме аппарата, но и от времени.
Для непрерывных процессов изменение параметров во времени имеет место только в период пуска установок.

1.2. Основные законы науки, используемые
в технологии пищевых производств
Изучение процессов технологии пищевых производств невозможно без применения основных законов (рис. 1.1), на которых базируется теория конкретного процесса.
Основные законы и принципы технологии пищевых производств
Основные законы и принципы технологии пищевых производств
За ко н со хр ан ен ия м
ас сы
За ко н со хр ан ен ия эн ер ги и
За ко н ра вн ов ес ия си ст ем ы
За ко н пе ре но са м
ас сы и
э не рг ии
За ко н дв иж ущ ей си лы
П
ри нц ип ы
оп ти м
из ац ии пр ов ед ен ия пр оц ес со в
П
ри нц ип ы
м ас ш
та бн ог о пе ре хо да и
м од ел ир ов ан ия
Рис. 1.1. Основные законы и принципы пищевых технологий
Закон сохранения массы и энергии. Данные законы играют одну из основных ролей в технологии пищевых производств. Они устанавливают, что в природе имеют место только такие превращения, при которых масса и энергия внутри системы остаются неизменными.
На основании закона сохранения массы (материи) составляют материальный баланс, следуя принципу: приход материала = расход материала.
Рассмотрим технологический процесс, протекающий в аппарате. В аппарат поступают компоненты А, В, С в количестве М
А
,
М
В
, М
С
соответственно; из аппарата выходя компонент Dв количестве М
D
и компонент Е, как отход производства, в количестве
М
Е
(рис. 1.2).
Аппарат
М
А
М
В
М
С
М
D
М
Е

Рис. 1.2. К уравнению материального баланса
Уравнение (1.1) является уравнением материального баланса.
На основании материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному. Выход продукта, как правило, рассчитывают на единицу затраченного на его изготовление сырья.
На основе закона сохранения материи можно записать
М
А
+ М
В
+ М
С
= М
D
+ М
Е
(1.1) или
∑ М
вх
= ∑ М
вых
Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения и превращения энергии. Закон формулируется следующим образом: в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной, или энергия никогда не создается и не уничтожается – она только переходит из одной формы в другую. Отсюда следует вывод, что нельзя получить нечто из ничего.
Если обнаруживается изменение энергии, которое не входит в современный список форм энергии, если выясняется, что энергия исчезает или появляется как бы из ничего, то приходится придумывать новый вид энергии, который учел бы эту разницу.
Нейтрон, например, был обнаружен вследствие недостачи в энергетическом балансе атомного реактора.
Разновидность энергетического баланса – тепловой баланс, который в общем виде записывается в виде уравнения (1.2)
Q
А
+ Q
В
+ Q
С
+Q
доп
= Q
D
+ Q
Е
+ Q
пот
(1.2) или
∑ ????
вх
+ ????
доп
= ∑ ????
вых
+ ????
пот
,
где ΣQ
вх
– теплота, поступающая в аппарат с исходными компонентами, Дж;
Q
доп
– дополнительная теплота, подводимая к аппарату от внешних источников, Дж;
ΣQ
вых
– теплота, уходящая из аппарата, Дж;

Q
пот
– тепловые потери, Дж.
Закон равновесия системы. Система, находящаяся в состоянии равновесия, не меняет своего состояния во времени. Для выведения такой системы из состояния равновесия необходимо влияние на нее извне. Исследование этого закона опирается на два положения термодинамики: принцип Ле-Шателье и правило фаз Гиббса.
По принципу Ле-Шателье в системе, выведенной из состояния равновесия, происходят изменения, направление сил которых противоположно наплавлению сил, выводящих систему из равновесия.
По правилу фаз Гиббса устанавливается зависимость между числами компонентов системы К, числом фаз f и числом степеней свободы S (1.3)
???? = ???? − ???? + 2
(1.3)
Под компонентом понимается чистые химические соединения
(и них состоят фазы); фаза – определенное количество вещества физически однородное во всей массе (из них состоят системы); система – совокупность нескольких фаз.
Закон переноса массы и энергии. Закон движущей силы. Для интенсификации производства необходимо, чтобы скорость процесса была, по возможности, максимальной.
Закон, описывающий процессы массо- и энергопереноса, можно сформулировать следующим образом: скорость процесса переноса I прямо пропорциональна движущей силе Dи обратно пропорциональна сопротивлению переноса R (1.4)
???? =
????
????
= ???? · ????,
(1.4) где K=1/R–коэффициент скорости процесса, величина, обратная сопротивлению.
Принцип оптимизации проведения процесса.При проведение любого процесса, как правило, возникает возможность выбора нескольких вариантов решения.выбор наиболее целесообразного варианта называется оптимизацией.

В качестве критерия оптимизации могут выступать различные параметры процесса, но чаще всего, - это минимум времени и затрат на производство продукции.
Оптимизация сводится к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров, противоположно влияющих на процесс. Снижение затрат к минимуму достигается выбором рационального проведения процесса и его аппаратурного оформления.
1.3. Химические процессы пищевых производств
В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относят получение патоки, различных жиров, а также инвертного сахара и др. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, растительных масел, а также при хранении продуктов.
Скорость химических процессов имеет большое значение.
Скорость химической реакции характеризуется изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени.
В зависимости от агрегатного состояния взаимодействующих веществ химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. К основным факторам, влияющим на скорость всех реакций, относятся: концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.
1.
Влияние концентрации.
Увеличение концентрации взаимодействующих веществ – один из самых распространенных приемов интенсификации процессов. Согласно закону действия масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции.
Молекулярность реакции определяется числом молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия.
Если для этого требуется одна молекула, то реакции называются мономолекулярными. При участии двух молекул реакции называют бимолекулярными, трех – тримолекулярными.
Порядок реакции – это сумма показателей степеней при концентрациях веществ в уравнении закона действия масс.

Скорость реакции первого порядка пропорциональна концентрации в первой степени, скорости реакций второго и третьего порядков пропорциональны концентрациям во второй и третьей степени.
Знание порядка и константы скорости реакции позволяет определить оптимальное время проведения реакции.
2. Температура – важный фактор, определяющий скорость реакции. С повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10ºС увеличивает скорость реакции в 2–4 раза.
Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций можно объяснить теорией активных столкновений. Согласно этой теории химическое взаимодействие между молекулами возможно только при их столкновении, однако к химическим реакциям приводят эффективные столкновения, т.е. в реакцию вступают не все сталкивающиеся молекулы, а только молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по сравнению со средней.
Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными.
Избыточная энергия молекул называется энергией активации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ.
При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастает, в результате чего увеличивается скорость реакции.
3. Влияние катализатора. Катализатор – это вещество, которое резко изменяет скорость реакции. В присутствии катализаторов реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно. Велико значение катализаторов в органическом синтезе – в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и др. Чем активнее катализатор, тем быстрее идут каталитические реакции.
Катализаторы могут ускорять одну реакцию, группу реакций или реакции разных типов, т.е. они обладают индивидуальной или групповой специфичностью, а некоторые из них пригодны для многих реакций. Например, ионы водорода ускоряют реакции

гидролиза белков, крахмала и других соединений, реакции гидратации и т.д.
Катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина) и в виде оксидов или солей
(окись ванадия, окись алюминия), соединения железа, магния , кальция, меди и т. п. Неорганические катализаторы термостабильны, и реакции с ними протекают при сравнительно высоких температурах.
Присутствие в среде, где протекает реакция, посторонних веществ оказывает на катализатор различное влияние: одни нейтральны, другие усиливают действие катализатора, третьи ослабляют или подавляют его. Вещества, отравляющие катализатор, называются каталитическими ядами.
В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе. В гетерогенном катализе реагирующие вещества находятся, как правило, в жидком или газообразном состоянии, а катализатор – в твердом, при этом реакция протекает на границе двух фаз, т.е. на поверхности твердого катализатора.
Большинство каталитических реакций положительно, т.е. в присутствии катализатора их скорость возрастает. Однако встречается отрицательный катализ, когда катализатор замедляет скорость реакции. В данном случае катализатор называют ингибитором. Если ингибитор тормозит процесс окисления, его называют антиокислителем, или антиоксидантом.
Сущность некоторых химических процессов и их роль.
Получение и хранение самых разнообразных пищевых продуктов сопровождаются протеканием химических процессов. Одни из них связаны с реакциями гидролиза, другие – с окислительно- восстановительными реакциями
(меланоидинообразованием, сульфитацией, окислением и др.).
1. Гидролиз – это реакция разложения сложных веществ
(белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.
Например, сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы) по уравнению
С
12
Н
22
О
11
+ Н
2
О = С
6
Н
12
О
6
+ С
6
Н
12
О
6