Chuyên đề Trình bày bản chất, nguyên lí chung, cấu tạo bộ phận làm việc và một số thiết bị thanh trùng

phẩm (CBTP), thanh trùng là khâu quan trọng có tác dụng quyết định tới khả năng bảo quản và chất lượng sản. Thanh trùng được áp dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp sản xuất đồ hộp rau quả, thịt cá ,sữa và công nghiệp sản xuất rượu bia, nước giải khát …Việc thanh trùng được thực hiện trước hoặc sau khi chế biến,có thể trực tiếp hoặc gián tiếp. Hiện nay,có rất nhiều phương pháp thanh trùng: thanh trùng bằng phương pháp nâng cao nhiệt độ, thanh trùng bằng thuốc sát trùng,bằng siêu âm, bằng các tia ion hoá…trong đó phương pháp thanh trùng bằng cách nâng cao nhiệt độ là có nhiều ưu điểm và được sủ dụng phổ biến hơn cả. Vì vậy, dưới đâychỉ giới thiệu thiết thanh trùng bằng nhiệt. b)Yêu cầu kĩ thuật: Các máy thanh trùng bằng tác dụng của nhiệt độ phải đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật sau: - Phải tiêu diệt được các loại vi khuẩn có hại trong sản phẩm, đảm bảo lượng vi khuẩn còn sống sót thấp đến mức không thể phát triển để làm hỏng sản phẩm trong thời hạn. - Không được làm giảm giá trị sản phẩm bao gồm cả về giá trị dinh dưỡng và giá trị cảm quan. - Các bộ phận làm việc của máy khi tiếp xúc với sản phẩm không gây hại cho sản phẩm và ngược lại không bị sản phẩm ăn mòn. c)Phân loại: - Theo cấu tạo: Thiết bị thanh trùng loại băng tải, loại trục quay, loại thuỷ lực. - Theo áp suất tạo ra trong thiết bị: thiết bị thanh trùng ở áp suất khí quyển còn gọi là thiết bị thanh trùng hở nắp và thiết bị thanh trùng làm việc ở áp suất cao hay thết bị thanh trùng có nắp. - Theo cách làm việc: thiết thanh trùng làm việc liên tục, thiết thanh trùng làm việc gián đoạn. 2.2 Các phương pháp thanh trùng: Các thiết bị thanh trùng đều làm việc theo nguyên lí nâng cao nhiệt độ để có thể tiêu diệt dược vi trùng .Căn cứ vào nhiệt độ thanh trùng sản phẩm mà người ta có phương pháp: a) Phương pháp Pastureisation: nguồn nhiệt được cung cấp là hơi nước có nhiệt độ từ 75-1000C.Phương pháp này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật,nhưng các loại vi khuẩn chịu nhiệt( spore) thì vẫncòn sống sót. b) Phương pháp Sterilisation: nguồn nhiệt được cung cấp bằng hơi nước nóng ở nhiệt độ 110-1300C.Phương pháp này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật và phần lớn các spore chịu nhiệt.Như vậy mưc độ tiệt trùng của phương pháp này cao hơn, độ an toàn vi sinh vật cao hơn. c) Phương pháp Ultra High Temperature( phương pháp nhiệt độ siêu cao kí hiệu UHT): nguồn nhiệt là hơi nước có nhiệt độ 140-1600C trong thời gian ngắn,khoảng vài giây hoặc vài chục giây. 2.3 Nguyên lí làm việc và nguyên lí cấu tạo: Về cấu tạo thiết bị thanh trùng gồm có hai bộ phận chình : bộ phận gia nhiệt và bộ phận thanh trùng. 2.3.1 Bộ phận tạo nhiệt: Bộ phận tạo nhiệt có nhiệm vụ tạo ra nhiệt độ cần thiết để tiêu diệt được các loại vi khuẩn khác nhau có trong sản phẩm.Có hai loại thiết bị tạo nhiệt được dùng nhiều trong các máy thanh trùng: - Thiết bị tạo nhiệt bằng hơi nước nóng gồm có lò tạo hơi ,hệ thống đường ống dẫn.Hệ thống này được nối với bộ phận thanh trùng nhờ van áp suất ,có đồng hồ kiểm tra áp suất.Nhiệt độ thanh trùng phụ thuộc chủ yếu vào áp suất hơi nước nóng do thiết bị tạo ra.Khi áp suất cao thì nhiệt độ thanh trùng cao và ngược lại .Bằng cách thay đổi áp suất ta có thể điều chỉnh nhiệt độ thanh trùng phù hợp với từng loại sản phẩm. - Thiết bị tạo nhiệt bằng dòng điện cao tần gồm có bảng điều khiển 1, bộ chỉnh lưu 2 để biến dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều có áp suất cao,máy tạo dao động thứ cấp 3 để biên dòng một chiều có điện áp cao thành dòng xoay chiều có tần số cao. Khi đặt sản phẩm trong điện trường của điện cực 5, các phần tử tích điện trong sản phẩm (ion hay điện tử ) sẽ dao động do tác dụng của điện năng ,chuyển điện năng được hấp thụ thành nhiệt năng để làm chết vi khuẩn .Khả năng hấp thụ điện năng tuỳ thuộc vào loại sản phẩm ,kích thước bao bì đựng sản phẩm , điện áp và tần số dòng điện .Tần số dòng điện càng lớn, hay bước sóng càng ngắn thì quá trình thanh trùng càng nhanh và ngược lại. 2.3.2 Bộ phận thanh trùng: Bộ phận thanh trùng có nhiệm vụ chuyển nhiệt từ thiết bị tạo nhiệt sang cho sản phẩm (h.2.1)Khi thanh trùng trực tiếp cho sản phẩm như sữa,nước rau quả,..bộ phận thanh trùng có thể là những bản kim loại mỏng ,một mặt tiếp với hơi nước nóng ,một mặt tiếp xúc với sản cần thanh trùng (h.2.1.a) hoặc có thể là các điện cực mà khoảng không gian giửa chúng là điện trường của dòng điện cao tần(h.2.1.b).Khi thanh trùng gián tiếp sản phẩm dạng đồ hộp,bộ phận thanh trùng có thể là nồi hơi trong đó nước nóng được dẫn từ lò tạo hơi vào (h.2.1.c)hoặc có thể là buồng chứa hơi trong đó trong đó hơi nước nóng được bốc hơi trực tiếp từ các cột nước nóng(h.2.1.d) Hình2.1 Thiết bị thanh trùng a)Dạng bản mỏng b)Dạng điện cực c)Dạng nồi hơi d)Dạng buồng hơi 2.4Cấu tạo và cách sử dụng một số thiết bị thanh trùng a) Thiết bị thanh trùng bản mỏng Alfa - Laval Thiết bị thanh trùng bản mỏng Alfa - Laval là loại thiết bị làm việc liên tục ở áp suất hơi nước cao hơn áp suất khí quyển (hình 2.2). Đây là loại thiết bị thanh trùng trực tiếp dùng để thanh trùng nước quả hoặc sữa trước khi rót vào hộp. Cấu tạo thiết bị (hình 2.2a) gồm có 4 ngăn: ngăn nâng nhiệt độ sơ bộ 3, ngăn thanh trùng 5, ngăn duy trì 4 và ngăn làm nguội 2. Mỗi ngăn gồm nhiều bản mỏng được xiết chặt lại nhờ đai ốc 11, các đòn ngang 1 và hai khung ép ở hai đầu. Các bản mỏng (hình 2.2b) thường làm bằng thép lá không rỉ dày 1mm có thể lượn sóng hoặc phẳng. Mỗi bản mỏng đều có vách định hướng, có gờ cao su và hai lỗ thủng. Khi xếp và ép các bản mỏng lại các lỗ tạo ra hai rãnh thông kín và giữa các bản mỏng là các khoang kín, sao cho khoang chứa nước quả xen kẽ với các khoang chứa chất tải nhiệt hoặc nước làm nguội. Các khoang chứa nước quả thông với nhau bằng một rãnh thông, còn các khoang mang chất tải nhiệt hay nước làm nguội được thông với nhau bằng rãnh thông còn lại. Do nước quả chảy trong khoang kín bằng một lớp mỏng, lại được truyền nhiệt từ hai mặt nên thời gian thanh trùng rất nhanh. Trên sơ đồ làm việc của máy (hình 2.2c) có 3 dòng chất lỏng lưu thông: dòng nước quả, dòng chất tải nhiệt (hơi nước nóng) và dòng nước làm nguội (nước lạnh hay nước muối). Nước quả mới vào buồng 1 được nâng sơ bộ nhiệt độ từ t1 đến t2. Sau đó, nước quả được đưa vào buồng thanh trùng 2 để tiếp tục nâng từ nhiệt độ t2 đến nhiệt độ thanh trùng t3 và duy trì ở nhiệt độ này trong khoảng thời gian thích hợp tùy theo từng loại nước quả. Nước quả tiếp tục đi vào buồng 3 để làm nguội sơ bộ bằng cách truyền nhiệt cho nước quả mới vào thiết bị. Nước quả sẽ được làm nguội hẳn ở buồng làm lạnh 4. Như vậy ở ngăn 1 và 4 có hai dòng nước nóng và lạnh lưu thông và ta đã lợi dụng được nhiệt tỏa ra khi làm nguội nước quả sau khi thanh trùng để làm nóng nước quả trước khi đưa vào ngăn thanh trùng. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị thanh trùng Alfa - Laval. Năng suất : 2000l/h (từ 15oC lên 92oC) Dung tích ngăn duy trì : 56l Thời gian duy trì : 100s Kích thước máy : dài 1980mm; rộng 1610mm; cao 1555mm Hình 2.2 Thiết bị thanh trùng bản mỏng Alfa-Laval a) thiết bị thanh trùng; b) bản mỏng lượn sóng; c) sơ đồ làm việc 1- đòn ngang; 2- ngăn làm nguội; 3- ngăn nâng nhiệt độ sơ bộ; 4- ngăn duy trì; 5- ngăn thanh trùng; 6- khung ép; 7- chân máy; 8- khung của ngăn duy trì; 9- tấm ngăn; 10- bản mỏng; 11- đai ốc. b) Thiết bị thanh trùng kiểu trống OPD - 1M Thiết bị thanh trùng kiểu trống OPD -1M là loại thiết bị thanh trùng trực tiếp, làm việc liên tục trong điều kiện áp suất hơi nước lớn hơn áp suất khí quyển (hình 23). Loại thiết bị này được sử dụng chủ yếu để thanh trùng sữa trước khi đóng hộp hoặc để bảo quản tạm thời trong thời gian chờ chế biến. Cấu tạo máy gồm một trống lõm 4 dạng paraboloit có chuyển động quay, bên ngoài là áo bao trống 5. Giữa trống và áo trống có khe hở nhỏ được nối thông với bình chứa sữa. Hơi nước nóng từ lò tạo hơi theo ống 24 được dẫn vào trong trống và bên ngoài áo bao trống. Sữa được đổ vào bình chứa sữa và chảy vào khe hởi giữa trống và áo bao trống 25. Khi trống quay sữa bị dồn ép, theo khe hở dâng lên phía trên. Do tiếp xúc với hai bề mặt đốt nóng, sữa nhận nhiệt và nóng lên. Càng đi lên trên, thời gian tiếp xúc với bề mặt đốt nóng càng lâu nên nhiệt độ sữa tăng dần.. Khi tới mép trên của áo bao trống thì nhiệt độ sữa đạt tới 85 ¸ 95oC, có các cánh gạt 10 đẩy sữa thoát ra theo ống 23. Theo dõi nhiệt độ sữa bằng nhiệt kế 16, nếu chưa đạt nhiệt độ cần thiết thì vặn khóa ba ngả ở đầu ống thoát sữa 23 để sữa chảy theo ống quay trở lại phễu cấp sữa 17 và đưa vào trong máy. Để điều chỉnh nhiệt độ sữa ở cửa ra, người ta điều chỉnh áp suất hơi nước đưa vào trong trống và bên ngoài áo bao trống bằng cách vặn van 19. áp suất hơi được kiểm tra nhờ áp kế 22 và có van an toàn 18 để đảm bảo cho áp suất hơi không vượt quá 0,3at. Nước đọng ở trong trống và bên ngoài áo bao trống theo hai đường chảy tập trung vào bộ phận xả nước đọng 12. Năng suất máy 1000l/h khi làm nóng sữa từ 5 ¸ 85oC, mức tiêu thụ hơi nước riêng là 320lít/h. Hình23. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy thanh trùng kiểu trống 1- đế máy; 2- động cơ điện; 3- trục đứng; 4- trống dồn ép sữa; 5- áo bao trống; 6- vỏ máy; 7- áo hơi nước; 8- buồng hơi nước; 9- ống dẫn nước đọng trong trống; 10- cánh gạt sữa; 11- các vành đai ngăn nước đọng; 12- bộ phân xả nước đọng; 13- buồng phao; 14- phao; 15- ống dẫn sữa; 16- nhiệt kế; 17- thùng đựng sữa; 18- van an toàn; 19- van hơi nước; 20- nắp máy; 21- ống dẫn nước đọng; 22- áp kế; 23- ống thoát sữa; 24- ống dẫn hơi nước; 25- khe sữa chảy. c) Thiết bị thanh trùng Laguilharre Thiết bị thanh trùng Laguilharre (Pháp) là loại thiết bị thanh trùng liên tục dùng để thanh trùng trực tiếp sản sảm lỏng trong điều kiện chân không (hình 6.4). Sữa được bơm 6 đẩy vào hệ thống đun nóng dạng ống 1 và được đun nóng đến nhiệt độ khoảng 750C. Tiếp theo sữa được đưa vào hệ thống tiệt trùng ở áp suất thường 2 nhờ hệ thống ống dẫn 9 và bộ phận phun sữa 10. ở đây sữa được thanh trùng bằng hơi quá nhiệt có nhiệt độ 1400C. Sau đó, sữa tiếp tục được đưa vào hệ thống tiệt trùng chân không 3 nhờ hệ thống ống dẫn 12 và bộ phận phun sữa 13. Hơi nước ở trong hệ thống tiệt trùng chân không 3 được bơm chân không 8 hút đưa qua hệ thống đun nóng 1 để gia nhiệt cho sữa ban đầu nhằm tiết kiệm nhiệt. ở trong thiết bị tiệt trùng chân không 3, sữa được làm nguội trung gian đến nhiệt độ 750C, sau đó được bơm ly tâm 7 được đưa vào các giàn làm lạnh 4 rồi đến 5. Sau khi ra khỏi hệ thống sữa có nhiệt độ từ 5-80C. Năng suất thiết bị này có thể đạt tới 10000 lít sữa/h. Hình 6.4. Thiết bị tiệt trùng Laguilharre 1- hệ thống ống đun nóng; 2- hệ thống tiệt trùng ở áp suất thường; 3- hệ thống tiệt trùng chân không; 4,5- hệ thống làm lạnh; 6, 7- bơm sữa; 8- bơm chân không; 9,12- hệ thống ống dẫn sữa; 10,13- bộ phận phun sữa; 11- ống dẫn hơi. d) Thiết bị thanh trùng Carvallô Thiết bị thanh trùng Carvallô được sử dụng để thanh trùng đồ hộp rau quả, thịt cá, sữa,... Đây là loại thiết bị làm việc liên tục ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển. Về cấu tạo thiết bị có hai nhánh cột nước I và III cao 10 ¸ 20m chứa đầy nước nóng, ngăn II chứa đầy hơi nước nóng, ngăn IV chứa nước lạnh, dây chuyền xích có nhiệm vụ đưa hộp vào và ra khỏi thiết bị thanh trùng (hình 6.5). ở điều kiện bình thường, áp suất tuyệt đối của khí quyển 1kg/cm2(1at), nhiệt độ sôi của nước là 100oC, khi áp suất tuyệt đối 2kg/cm2, nhiệt độ sôi của nước là 120oC, khi áp suất tuyệt đối 3kg/cm2, nhiệt độ sôi của nước là 133oC. Khi độ cao cột nước ở hai nhánh I và III là 10m thì áp suất trong ngăn II là 2at, nhiệt độ là 120oC. Khi tăng độ cao cột nước sẽ làm giảm thể tích và tăng áp suất trong ngăn 2, nhờ đó sẽ làm tăng nhiệt độ. Vì vậy, để điều chỉnh nhiệt độ thanh trùng người ta điều chỉnh độ cao mức nước ở hai nhánh I và III. Băng tải xích vận chuyển đồ hộp vào nhánh I, ở đây sản phẩm được làm nóng dần và vào ngăn II để thanh trùng, qua nhánh 3 được làm nguội dần và đến ngăn IV sẽ làm nguội hẳn và được đưa ra ngoài. Việc điều chỉnh thời gian thanh trùng được thực hiện bằng cách thay đổi tốc độ của băng chuyền. Nhiệt độ thanh trùng của thiết bị là 115 ¸126oC, năng suất 200 ¸ 300 hộp/ph. H×nh2.5. ThiÕt bÞ thanh trïng Carvallo 2.5Lý thuyết tính toán quá trình thanh trùng a) Cơ sở lý thuyết của quá trình thanh trùng Để tạo ra những thực phẩm an toàn về mặt vi sinh vật bằng nhiệt cần nghiên cứu hai vấn đề: - Bản chất và quá trình động học của quá trình tiêu diệt vi sinh vật bởi nhiệt - Bản chất và quá trình động học của quá trình làm nóng và làm mát thực phẩm trong container kín. Sự tiêu diệt vi sinh vật bởi xử lý nhiệt phụ thuộc vào 4 yếu tố: - Dạng và số lượng vi sinh vật có mặt. - Trạng thái sinh lý của vi sinh vật ( ở dạng thực vật hay spore,… ) - Đặc tính vật lý, hoá học của thực phẩm và vật liệu chứa đựng thực phẩm. -Thời gian xử lý nhiệt độ gây chết. Điều đó có nghĩa là số lượng vi sinh vật càng lớn, tính chịu nhiệt của chúng càng cao (loại vi sinh vật và trạng thái ) thì phải xử lý nhiệt nghiêm khắc hơn. Các tác nhân lý hoá của thực phẩm đặc biệt là pH có ảnh hưởng lớn đến việc tiêu diệt vi sinh vật bởi xử lý nhiệt. Những thực phẩm có pH £ 4,5 việc tiêu diệt vi sinh vật bởi xử lý nhiệt dễ dàng hơn so với những thực phẩm có pH > 5,5 Để tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật, việc xử lý nhiệt cần trải qua một thời gian nhất định ở nhiệt độ gây chết. Mối tương quan giữa giữa só lượng vi sinh vật sống sót và thời gian xử lý là tương tự nhau cho tất cả các vi sinh vật. Về mặt toán học thì logarit của số vi sinh vật sống sót là hàm tuyến tính ( nghịch ) với thời gian xử lý ở nhiệt độ gây chết vi sinh vật. Còn độ dốc của đường thẳng này thay đổi tuỳ theo các loại vi sinh vật khác nhau và sản phẩm khác nhau (hình 2.6). Trong quá trình thanh trùng, nhiệt cần phải được thấm vào bên trong các container chứa thực phẩm và sau đó được mất đi trong quá trình làm mát. Điều đó phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Phương tiện cung cấp nhiệt. - Sự hạ nhiệt độ sau thời gian cần thiết. - Kích tước và hình dáng của container. - Đặc tính vật lý của thực phẩm ( sự đối lưu và sự dẫn nhiệt ) - Sự khuấy động của thực phẩm trong container. Trong thực tế, khi thanh trùng, không phải toàn bộ các spore đều bị tiêu diệt. Sự vô trùng trong thương mại thường là: - 1/101/2 can có thể bị hư hỏng bởi các vi sinh vật gây độc thực phẩm vào cuối thời thời hạn sử dụng. - 1/105-106 can có thể bị thối hỏng bởi các vi sinh vật (gây thối hỏng sản phẩm) vào cuối thời hạn sử dụng. Hình 2.6. Lôgarit của số lượng vi sinh vật còn sống sót trong quá trình thanh trùng Sự phối hơp giữa thời gian và nhiệt độ suốt trong quá trình thanh trùng được biểu thị bằng giá trị F0. Ví dụ, một thực phẩm nào đó có F0 (= F12110) =6 phút có nghĩa là để thanh trùng bằng nhiệt, thực phẩm đó cần được xử lý trong thời gian 6 phút ở nhiệt độ 1210C. Giá trị F0 thay đổi tuỳ theo loại thực phẩm khác nhau (bảng 2.1). Bảng 2.1. Giá trị F0 của một số loại thực phẩm Sản phẩm F0 (phút) ở 1210C Gà được gỡ xương Thịt bò muối Giăm bông Xúp Cá ướp muối 6 - 8 5 5 10 - 12 5 - 8 Tại một nhiệt độ nhất định, khi thời gian thanh trùng tăng lên thì số lượng vi sinh vật sống sót giảm đi (so với số lượng ban đầu). Mối quan hệ đó được biểu thị bằng giá trị D. Ví dụ, đối với một thực phẩm có D12110= 1,2 phút, có nghĩa là sau 1,2 phút thanh trùng ở nhiệt độ 1210C, số lượng spore được giảm đến 0,1 số lượng ban đầu, sau 2x1,2phút = 2,4 phút thanh trùng ở nhiệt độ 121oC số lượng spore giảm đến 0,1x 0,1 = 0,01 số lượng ban đầu (số lượng spore còn sống sót chỉ bằng 1/100 số lượng ban đầu). Mối quan hệ giữa F và D được tính theo công thức sau : F = D(logMđ - logMc) Mđ- Số lượng vi sinh vật ban đầu Mc- Số lượng vi sinh vật sau khi thanh trùng Ví dụ: Một loại thực phẩm được thanh trùng ở nhiệt ở 1210C. Số lượng spore ban đầu là 105 spore/1 can 1.000g. Số lượng spore sau khi thanh trùng chỉ bằng 1 spore/106 can hay 10-6 spore/ 1 can và D12110 = 1,2 phút. Ta có : F0 = 1,2[log105 - log10-6] = 1,2[5-(-6)] = 1,2 x 11 = 13,2 phút Nếu số lượng spore ban đầu là 104 spore/ 1 can 1.000g Ta có : F0 = 1,2[log104 - log10-6] = 1,2 x [4-(-6)] = 1,2 x 10 = 12 phút. Để tìm được giá trị D cho mỗi loại sản phẩm người ta dựa vào mối tương quan giữa số vi sinh vật còn sống và thời gian xử lý (hình 6.7). Hình 2.7. Mối tương quan giữa số tế bào còn sống sau một khoảng thời gian thanh trùng ở tại nhiệt độ nhất định và sự lựa chọn giá trị D cho mỗi loại sản phẩm. Giá trị F được giảm đi mỗi khi nhiệt độ xử lý tăng lên trong một khoảng nhất định. Khoảng nhiệt độ tăng thêm làm cho F giảm đi 10 lần được biểu thị bằng giá trị Z. Chẳng hạn một sản phẩm nào đó để đảm bảo an toàn cần phải thanh trùng ở nhiệt độ 1210C trong thời gian 13,2 phút, khi nhiệt độ xử lý tăng thêm 100C ( xử lý ở 1310C ) thì thời gian xử lý chỉ còn 0,1 x 13,2 = 1,32 phút. Khi nhiệt độ xử lý ở 1410C thì thời gian xử lý chỉ còn 0,01 x 13,2 = 0,132 phút » 8 giây. ở đây ta có Z = 100C. Giá trị D và Z thay đổi tuỳ thuộc vào những sản phẩm, chủ yếu là loại vi sinh vật và độ pH của môi trường mà vi sinh vật đó sinh sống. Dựa vào giá trị Z và D người ta có thể lụa chọn phương pháp thanh trùng thích hợp. Thông thường, giá trị D và Z được chọn cho mỗi loại sản phẩm tuỳ thuộc vào 2 yếu tố sau: - Độ axit của sản phẩm, khi sản phẩm có độ pH thấp, nhiệt độ thanh trùng và giá trị D thấp hơn so với những sản phẩm có độ pH cao. - Sự thâm nhập của nhiệt độ vào trong giữa sản phẩm (qua thành vật chứa như can, bao gói…). Nhiệt thâm nhập càng nhanh thời gian thanh trùng càng ngắn. Điều đó phụ thuộc vào vật liệu vật chứa (kim loại dẫn nhiệt nhanh hơn thuỷ tinh …), phụ thuộc vào thể tích (lớn, nhỏ), phụ thuộc vào hình dáng (vật chứa có hình dẹp tức là chiều dày bé, sự thấm nhiệt nhanh hơn) và phụ thuộc vào trạng thái (động hay tĩnh) của sản phẩm (những sản phẩm được đảo trộn sự thấm nhiệt nhanh hơn sản phẩm ở trạng thái tĩnh),… b) Thời gian và nhiệt độ thanh trùng Để đảm bảo tiêu diệt hết vi khuẩn nhưng không làm giảm chất lượng sản phẩm, cần phải xác định trị số giới hạn của nhiệt độ và thời gian thanh trùng. Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết thanh trùng sữa của G.A. Kúc thì mối quan hệ giữa thời gian thanh trùng và nhiệt độ thanh trùng như sau: lnt = a - b(Ts- 273) (2.1) t - thời gian thanh trùng , h Ts - nhiệt độ thanh trùng, oK a, b - các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại sản phẩm. Đối với sữa a = 36,84, b = 0,46. t - thời gian thanh trùng , h Ts - nhiệt độ thanh trùng, oK a, b - các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại sản phẩm. Đối với sữa a = 36,84, b = 0,46. Thời gian thanh trùng và nhiệt độ thanh trùng phải nằm trong giới hạn cho phép, nghĩa là: tmin <t <t max Tsmin < T < Tsmax Thời gian và nhiệt độ thanh trùng cực tiểu tmin và tsmax đảm bảo tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn và chúng có mối liên hệ với nhau theo công thức: lntmin=33,54-0,44(Tsmax- 273 ) (2.2) Thời gian và nhiệt độ thanh trùng cực đại tmax và Tsmax đảm bảo không làm biến đổi tính chất lý hoá của sữa và chúng có mối liên hệ với nhau theo công thức: lntmax=40,76 – 0,53(Tsmax- 273) (2.3) 2.6 Lý thuyết tính toán một số thiết bị thanh trùng 2.6.1. 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 (2.4) Qs - lưu lượng sữa chảy trong máy, kg/h Cs - nhiệt dung riêng của sữa, kcal/kg.oC k - hệ số truyền nhiệt, kcal/m2. 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, m2 Mối quan hệ giữa chế độ nhiệt của máy và diện tích bề mặt đốt nóng được thể hiện trên đồ thị (hình 2.8). Hình 2.8. Đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ sữa vào diện tích bề mặt đốt nóng Phương trình vi phân (2.1) có thể viết dưới dạng: (2.5) Tích phân 2 vế phương trình (2.5) 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 (2.6) Từ đây ta rút ra: F= (2.7) 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 (hình2.9) cao nâng sữa lý thuyết được xác định theo công thức sau: Hlt = h + ho (2.8) 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= (2.9) Trong đó: v- vận tốc vòng của đầu cánh gạt sữa, m/s; g- gia tốc trọng trường, m/s2; R- bán kính đầu cánh gạt sữa ở miệng trống, m; n - số vòng quay của trống, v/ph; Hình 2.9. 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 Shđ = 0,2 ¸ 0,5m vì phải khắc phục lực cản chuyển động của sữa trong khe hở giữa trống và áo trống: Htt = Hlt - Shđ (2.10) Từ công thức (2.9) ta có thể xác định được số vòng quay cần thiết của trống để nâng sữa tới độ cao Hlt là: n = (2.11) - Lực tác động vào thân máy thanh trùng Lập hệ trục toạ độ Oxy (hình 2.10). 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. 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 =2xdxdyrw2x m- khối lượng của phần tử chất lỏng, m=2xdxdyr r- mật độ chất lỏng: r= g- trọng lượng riêng của chất lỏng, N/m3, g- gia tốc trọng trường, m/s2 a - gia tốc li tâm: a = w2x Hình 2.10. Sơ đồ tính toán lực tác động vào thân và nắp máy thanh trùng w - vận tốc góc quay của trống, s-1 Lực này được phân bố trên bề mặt vành đai có diện tích F = 2pxdy, sẽ tạo nên áp suất ly tâm: dp = (2.12) Lấy tích phân phương trình (6.12) trong giới hạn từ 0 ¸ p và từ x ¸ R ta xác định được áp suất ly tâm tác động vào áo trống: (2.13) Xuất phát từ điều kiện bền của thành áo trống: pR=[] Ta rút ra: = (2.14) [] - ứng suất cho phép, N/m2; - 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: tgj = (2.15) j - góc hợp bởi đường tiếp tuyến với đường parabol tại điểm đang xét và trục Ox. Từ phương trình (2.15) ta có: dy = (2.16) Tích phân phương trình (2.16) trong giới hạn từ y ¸ H và x ¸ R, ta được: H – y = (2.17) Tại nắp ứng với y = h và x = ro, ta có: H – h = (2.18) Trên sơ đồ ta thấy H – h = ho, vì vậy: ho = (2.19) 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 = (2.20) Lực tác động vào vi phân diện tích hình vành khăn theo phương thẳng đứng là: dP = pFv = p.2rdr = prdr (2.21) Thực hiện phép tích phân phương trình (2.21) trong giới hạn từ 0 ¸ P và r ¸ R, ta xác định được lực tác động lên nắp máy: P = (R2 – r02)2 (2.22) Thay giá trị h0 từ phương trình (2.19) vào (2.22), ta được: P = (2.23) Để nắp máy được giữ chặt với thân cần bố trí các vít sao cho đủ chống được lực P. 2.6.2 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 ¸ 500C 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: (2.24) A- thời gian nâng nhiệt độ B- thời gian giữ nhiệt độ C- thời gian hạ nhiệt độ t0- 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: Công thức trên được hiểu như sau: nhiệt độ thanh trùng sản phẩm là 1000C, 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 ¸ 500C 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: Nhiệt độ thanh trùng là 1200C, thời gian