106章浓缩、结晶.ppt

第六章 食品浓缩和结晶,第一节 浓缩的目的和分类 第二节 蒸发浓缩 第三节 冷冻浓缩第四节 膜浓缩第五节 食品的结晶,第一节 浓缩的目的和分类,浓缩概念：利用物理方法从液态食品中除去水分的过程，也是溶质和溶剂均匀混合溶液的部分分离过程。包括蒸发、冷冻浓缩等操作。,第六章 食品浓缩和结晶,一、食品浓缩的作用与目的,1.作用 2.目的,第六章 食品浓缩和结晶,第一节 浓缩的目的和分类,1.浓缩的作用,除去溶剂获得高浓度溶液便于溶质以结晶状态析出方便后续操作,第六章 食品浓缩和结晶,一、食品浓缩的作用与目的,第一节 浓缩的目的和分类,2.浓缩的目的,减少食品的重量和体积，从而减少相应的包装、贮藏和运输费用。浓缩可提高制品的浓度，增大渗透压、降低水分活性、延长制品的保质期。,第六章 食品浓缩和结晶,一、食品浓缩的作用与目的,第一节 浓缩的目的和分类,2.浓缩的目的,浓缩是结晶操作的预处理过程及结晶控制的一种手段。降低食品脱水过程的能耗，有利于保证制品品质，降低成本。改善产品质量,第六章 食品浓缩和结晶,一、食品浓缩的作用与目的,第一节 浓缩的目的和分类,二、食品浓缩的分类,1.平衡浓缩 是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质浓缩液和溶剂的浓缩（分离）方法。蒸发浓缩 溶液的蒸发是利用水汽化而达到分离的目的，加热介质一般为水蒸气。冷冻浓缩 是利用稀溶液与固态冰在凝固点以下的平衡关系，部分水分因放热而结冰，而后用机械方法将浓缩液与冰晶分离。,第六章 食品浓缩和结晶,第一节 浓缩的目的和分类,二、食品浓缩的分类,2.非平衡浓缩 是利用半透膜等来分离溶质与溶剂的过程，也称为膜分离。,第六章 食品浓缩和结晶,第一节 浓缩的目的和分类,第二节 蒸发浓缩,一、蒸发浓缩的基本原理,蒸发浓缩可在沸点或低于沸点时进行，又可在减压或常压下进行。为提高蒸发效率，生产上蒸发浓缩均采用沸腾蒸发。沸腾蒸发浓缩的效率常以蒸发器生产强度来衡量。蒸发器生产强度是指单位时间内，单位传热面积上所蒸发的溶剂量。,第六章 食品浓缩和结晶,二、蒸发浓缩的特点及分类,在真空条件下，液体的沸点低，有利于增大加热蒸汽与液体之间的温差，增大传热效率，减少蒸发器所需的传热面积；物料在较低温度下蒸发，减少对热敏性食品成分的破坏；,（一）真空蒸发的特点,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,二、蒸发浓缩的特点及分类,便于采用低压蒸汽或废蒸汽作为加热源，有利于多效蒸发，降低能耗；需要配套的真空系统，会增大设备投资及动力损耗；由于蒸发潜热随沸点降低而增大，故热量消耗较大。,（一）真空蒸发的特点,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,二、蒸发浓缩的特点及分类,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,（一）食品中热敏性物质的变化（二）沸点和冰点的变化（三）粘度（四）起泡性（五）结垢性（六）结晶性（七）风味形成与挥发,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,（一）食品中热敏性物质的变化,食品成分的变化 对浓缩效果的影响 食品品质下降解决办法采取真空浓缩的方式,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,（二）粘稠性,对浓缩效果的影响降低物料的导热系数和总传热系数 解决办法选择强制循环或刮板式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,（三）结垢性,对浓缩效果的影响影响传热，带来安全性问题 解决办法（1）采用管内流速很大的升膜式蒸发器或其它强制循环的蒸发器（2）采用电磁防垢、化学防垢等采取真空浓缩的方式（3）采用CIP清洗系统与蒸发器配套使用,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,（四）泡沫性,对浓缩效果的影响料液流失 解决办法（1）采用管内流速很大的升膜式或强制循环式蒸发器（2）用高流速的气体来吹破泡沫（3）用其它的物理、化学措施消泡。,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,（五）结晶性,对浓缩效果的影响造成料液流动状态的改变，大量结晶的沉积，妨碍加热面的热传递 解决办法选择强制循环、外加热式及带有搅拌的蒸发设备,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,（六）风味形成与挥发,对浓缩效果的影响产生不良风味，原有芳香成分挥发，浓缩制品品质下降 解决办法（1）真空蒸发（2）低温蒸发（3）采取香味回收措施,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,（七）腐蚀性,第六章 食品浓缩和结晶,三、蒸发浓缩过程食品物料的变化,第二节 蒸发浓缩,四、蒸发器的类型及选择,（一）选用蒸发器的基本要求,符合工艺要求，溶液的浓缩比适当；传热系数高，有较高的热效率，能耗低；结构合理紧凑，操作、清洗方便，卫生、安全可靠；动力消耗低，设备便于检修，有足够的机械强度。,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,（二）蒸发器的类型,1.间歇性2.连续式：升膜式、降膜式、刮板式、离心薄膜式,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,第二节 蒸发浓缩,1、循环型蒸发器,特点：溶液在蒸发器中循环流动，以提高传热效率。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,第二节 蒸发浓缩,（三）常见的蒸发器,（1）中央循环管式蒸发器（2）外循环管是蒸发器,又称标准式蒸发器,为最常见的蒸发器，其结构如图所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40%100%。,（1）中央循环管式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,第二节 蒸发浓缩,（三）常见的蒸发器,中央循环管式真空蒸发器,球形浓缩器,（1）中央循环管式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（1）中央循环管式蒸发器,原理：当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,（1）中央循环管式蒸发器,优点：结构简单、紧凑，制造方便，操作可靠，投资费用少。缺点：清理和检修麻烦，溶液循环速度较低，一般仅在0.5m/s以下，传热系数小。它适用于粘度适中，结垢不严重，有少量的结晶析出，及腐蚀性不大的场合。中央循环管式蒸发器在工业上的应用较为广泛。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环管式蒸发器,循环管内的物料是不直接受热的，故可适用于果汁、牛奶等热敏性物料的浓缩。在真空条件下进行低温间歇或连续浓缩，可确保产品质量。,单效外循环蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环管式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环式真空蒸发器,WZ型外循环式真空蒸发装置主要由列管式加热器、蒸发罐、循环管及其他附属设备所组成。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环式真空蒸发器,原理：料液在加热器的管内被加热至沸点后，部分水汽化，使热能转换为向上运动的动能；同时由于加热管内汽液混合物和循环管中未沸腾的料液之间产生了重度差，在膨胀动能和重度差的诱导下，产生了料液的自然循环（料液在加热管内的循环速度小于1m/s），料液受热量愈多，沸腾愈好，其循环速度也就愈大。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环式真空蒸发器,原理：由于是在真空作用下蒸发，其料液的蒸发温度可以控制在某种程度上50以下。蒸发出的二次蒸汽经丝网除沫器和捕液器捕集后，被水力喷射泵的喷水冷凝后带走。蒸发罐内的料液经离心旋转后，沿外循环管回到加热器的下部，进行再循环加热蒸发，如此循环加热蒸发（约15-20分钟），当达到要求的浓度时，开始连续出料，与此同时也连续进料，从而构成连续的真空浓缩操作。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环式真空蒸发器,主要特点：为提高汽液分离的效果，并兼有除沫、防夹带的作用，采用了三级分离，捕集方式:一是汽液切线进入蒸发罐利用离心力和罐内沉降作用；二是蒸发器顶部采用高效气滤式过滤网层；三是增设撞击式捕液器，从而防止了料液被二次蒸汽夹带的损失，即使对易产生泡沫的料液（例如含皂的中药液）也能达到满意的分离效果。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）外循环式真空蒸发器,为便于清洗，在加热器顶部设置了快开式顶盖。在蒸发罐内气滤式过滤网的上部设置了环形喷淋清洗水管。并在蒸发罐体上设置人孔以便对罐内进行清洗。为便于在操作中的观察，在加热器顶部及蒸发罐体上均设置了灯孔与视镜。WZ型蒸发器与国内常用的升膜式、降膜式、升-降膜式蒸发器相比，WZ型属循环型蒸发器，料液的浓缩比大，而且管内不易结垢。例如用于药水煎液浓缩比重可达d=1.25而管内不结垢。,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,蒸发器有一效、二效、三效系列规格，另有型为强制外循环蒸发器。可广泛应用于医药、食品、化工、轻工等行业的水或有机熔煤溶液的蒸发浓缩。特别适用于热敏性物料，（列如中药生产的水、醇提取液，抗生素发酵液、牛奶、果汁等），在真空条件下进行低温连续浓缩，可确保产品质量。如需回收酒精，并提高酒精浓度。,（2）外循环式真空蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,外循环管式蒸发器技术参数,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,2.膜式蒸发器,根据蒸发器内物料的流动方向及成膜原因可分为以下几种类型。（1）升膜式蒸发器（2）降膜式蒸发器（3）升/降膜蒸发器（4）刮板式薄膜蒸发器（5）离心式薄膜蒸发器（6）板式蒸发器（7）膨胀流蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,四、蒸发器的类型及选择,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（1）升膜式蒸发器,如图所示，它的加热室由一根或数根垂直长管组成。通常加热管径为2550mm，管长与管径之比为100150。原料液预热后由蒸发器底部进入加热器管内，加热蒸汽在管外冷凝。当原料液受热后沸腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，带动料液沿管内壁成膜状向上流动，并不断地蒸发汽化，加速流动，气液混合物进入分离器后分离，浓缩后的完成液由分离器底部放出。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（1）升膜式蒸发器,这种蒸发器需要精心设计与操作，即加热管内的二次蒸汽应具有较高速度，并获较高的传热系数，使料液一次通过加热管即达到预定的浓缩要求。通常，常压下，管上端出口处速度以保持2050m/s为宜，减压操作时，速度可达100160m/s。升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）降膜式蒸发器,如图所示，原料液由加热室顶端加入，经分布器分布后，沿管壁成膜状向下流动，气液混合物由加热管底部排出进入分离室，完成液由分离室底部排出。设计和操作这种蒸发器的要点是：尽力使料液在加热管内壁形成均匀液膜，并且不能让二次蒸汽由管上端窜出。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（2）降膜式蒸发器,降膜式蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，传热系数高，停留时间短。但液膜的形成仅依靠重力及液体对管壁的亲润力，故蒸发量较小，一次蒸汽浓缩比一般小于7。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,设备特点：,由一、二、三效加热器，一、二、三效蒸发器、预热器、冷凝器和热压泵组成。蒸发耗量低，1kg蒸汽可蒸发4kg水。蒸发温度低，部分二次蒸汽经喷射式热压泵重新吸入一效加热器，热量得到充分利用，蒸发温度相对较低。浓缩比大，降膜式蒸发，使粘度较大的料液容易流动蒸发，不容易结垢，浓缩时间短，浓缩比可达到15。可实现全自动化生产，智能化系统管理，符合GMP标准要求。,（2）降膜式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,适用范围：适用于制药、葡萄糖、淀粉、化工、木糖、柠檬酸、硫酸铵、生化工程、环保工程、废液回收处理等。蒸发能力(kg/h)：1000、2000、3000、4000、6000、10000、12000、15000、20000（水份）。,（2）降膜式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（3）升/降膜蒸发器,升/降膜蒸发器是将加热器分成两程，一程做稀溶液的升膜蒸发，另一程为浓稠液的降膜蒸发，这种蒸发器集中了升、降膜蒸发器的优点。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,设备特点：,由板片式加热器、分离器、预热器、冷凝器、真空泵、热压泵和控制系统组成。蒸发量大、效率高、高浓缩比、低能耗、快速、升降膜式蒸发，采用板式镜面换热、清洗方便。蒸发温度低、部份二次蒸汽经喷射式热压泵重新吸入一效加热器，热量得到充分利用，蒸发温度为75-45，而耗汽量是单效25%。全面符合GMP标准要求。可实现全自动化生产，智能化系统管理。,（3）升/降膜蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,适用范围：适用于果汁、制药、化工、葡萄糖、生物工程、柠檬酸、硫酸铵、硫氰化钠回收、纯碱、氯化钙、硫酸纳、造纸黑液、硫酸锌的物料浓缩和电镀废液回收、环保工程等领域。品种与规格：单效、双效、三效、四效系列板式升降膜蒸发器。蒸发量（kg/h)：300、500、1000、2000、3000、4000、5000、6000、8000、10000、12000、15000、20000（水份）。,（3）升/降膜蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（4）刮板式薄膜蒸发器,刮板式薄膜蒸发器可用于易结晶、易结垢、高粘度或热敏性的料液浓缩。但该结构较复杂、动力消耗大，处理量较小，浓缩比一般小于3。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,设备特点：,滞留层薄，热阻影响小，传热系数大，蒸发效率高。物料在蒸发面上的停留时间短，不结焦、不结垢、不需清洗去垢。适用的粘度范围宽广，既可以处理高粘度，也可以处理含固体的溶液。操作弹性大，浓度调节方便，可以实现自动化操作。结构独特，刮板工作可靠，维护方便，内筒精加工光洁度高，使刮板不易磨损。,（4）刮板式薄膜蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,适用范围：广泛应用于化工轻工、食品、制药和石油行业的蒸发、浓缩、蒸馏等工段，特别适用于对热敏性溶液及高温时具有强腐蚀性的溶液。,（4）刮板式薄膜蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（5）离心式薄膜蒸发器,本设备采用离心式滑动沟槽转子，是目前国外最新结构蒸发器，在流量很小的情况下也能形成薄膜，在筒体蒸发段内壁表面附着处理液中的淤积物可被活动刮板迅速移去，和固定间隙的刮板蒸发器相比，蒸发量可提高40%-69%。,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（5）离心式薄膜蒸发器,传热系数值高，蒸发能力大，蒸发强度可达到200kg/m2.hr，热效率高。物料加热时间短，约510秒，真空下工作，对热敏性物料有利，保持各种成份不易分解，保证产品质量。适应粘度变化范围广，高低粘度物均可以处理，物料粘度可高达10万厘泊(CP)。改变刮板沟槽旋转方向，可以调节物料在蒸发器的打理时间。,设备特点：,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（5）离心式薄膜蒸发器,蒸发段筒体内壁经过精密镗削并抛光处理，表面不易产生结焦、结垢。操作方便，产品指标调节容易，在密闭条件下，可以自控进行连续性生产。设备占地面积小，结构简单，维修方便，清洗容易。,设备特点：,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,适用范围：适于粘度高、混杂结晶的液体浓缩，一般浓缩比可达7。,（5）离心式薄膜蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（6）板式蒸发器,第六章 食品浓缩和结晶,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,（6）板式蒸发器,适用范围：适于果蔬汁物料的浓缩，酒精的蒸发，沉淀物的浓缩等。,第六章 食品浓缩和结晶,设备特点：通道宽，蒸汽角孔大，可养活压力降，适合真空和低压蒸发及冷凝 设备占地少，易于安装和清洗 制造复杂，造价较高，周边密封橡胶圈易老化。,2.膜式蒸发器,（三）常见的蒸发器,第二节 蒸发浓缩,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,（一）多效真空蒸发浓缩及其特点 1.顺流加料法 2.逆流加料法 3.平流加料法（二）多效蒸发的温差分配与效数 1.多效蒸发的温差分配 2.多效蒸发的效数,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,第二节 蒸发浓缩,（一）多效真空蒸发浓缩及其特点,1、顺流加料法 料液和蒸汽的流向相同，均由第一效顺序至末效，故也称并流加料法。2、逆流加料法 原料液由末效进入，用泵依次输送至前一效，浓缩液由第一效下部排出。加热蒸汽的流向则由第一效顺序至末效。,第六章 食品浓缩和结晶,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,第二节 蒸发浓缩,（一）多效真空蒸发浓缩及其特点,3、平流加料法 每效都平行送入原料液和排出浓缩液。加热蒸汽则由第一效依次至末效。4、混流加料法 多效蒸发过程同时采用顺流和逆流加料法，即某些效用顺流，某些效用逆流，充分利用各流程的优点。,第六章 食品浓缩和结晶,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,第二节 蒸发浓缩,（二）多效蒸发的温差分配与效数,第六章 食品浓缩和结晶,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,第二节 蒸发浓缩,2、多效蒸发的效数,（1）增加效数的优缺点 优点蒸发单位重量的水的蒸汽消耗降低，冷却水的耗量愈少，热能得到的充分利用；缺点电耗、蒸发器、预热器的热交换面积增大，费用相应增加（2）限制效数的原因 物料性质的限制 设备费用增加 温差损失的增加,第六章 食品浓缩和结晶,（二）多效蒸发的温差分配与效数,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,（三）多效蒸发过程的节能措施,1.蒸发器的革新2.蒸汽再压缩蒸发（1）机械再压缩蒸发（2）蒸汽喷射再压缩法（3）热泵循环再压缩法 3.利用蒸发器的余热预热物料或用于其它加热目的,第六章 食品浓缩和结晶,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,（三）多效蒸发过程的节能措施,1、蒸发器的革新 革新原则是以提高传热速率，减少物料的热破坏作用为主要目标。2、蒸汽再压缩蒸发 利用各种压缩方法，可将二次蒸汽的热力状态提高到接近原来的水蒸气状态，是多效蒸发常用的节能措施。（1）机械再压缩蒸发 是利用机械压缩机的绝热压缩来实现。,第六章 食品浓缩和结晶,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,（2）蒸汽喷射再压缩法用蒸汽喷射器代替机械再压缩法中的压缩机。（3）热泵循环再压缩法 将蒸发操作与制冷循环结合起来，利用二次蒸汽的热量与比容积小的无水氨蒸气进行热交换，使氨蒸气压缩膨胀，致使蒸发器的运转热效率与运行效率提高。3、利用蒸发器的余热预热物料或用于其它加热目的 利用二次蒸汽的热量（其冷凝潜热较大）对被浓缩物料进行预热可节省能量。,（三）多效蒸发过程的节能措施,第六章 食品浓缩和结晶,五、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发,第二节 蒸发浓缩,六、蒸发浓缩过程香味的保护与回收,（1）采用低温蒸发浓缩设备，减少香味成分的挥发（2）采用短时蒸发浓缩设备（3）蒸馏法回收（4）浆液浓缩工艺,第六章 食品浓缩和结晶,第二节 蒸发浓缩,第三节 冷冻浓缩,一、冷冻浓缩的基本原理（一）冷冻浓缩概念（二）冷冻浓缩特点（三）冷冻浓缩基本原理,第六章 食品浓缩和结晶,一、冷冻浓缩的基本原理,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,（一）冷冻浓缩概念 冷冻浓缩是利用冰和水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。冷冻浓缩由于在低温下操作,具有可阻止不良化学变化和生物化学变化及风味、香气和营养损失小等优点，特别适用于浓缩热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的高档饮品及中药汤剂等。,（二）冷冻浓缩特点,1、优点 浓缩过程不涉及加热，适用于热敏性食品物料的浓缩，可避免芳香物质因加热造成的挥发损失。2、缺点 浓缩过程微生物和酶的活性得不到抑制，制品还需进行热处理或冷冻保藏；冷冻浓缩的溶质浓度有一定限制，且取决于冰晶与浓缩液的分离程度；有溶质损失；成本高。,第六章 食品浓缩和结晶,一、冷冻浓缩的基本原理,第三节 冷冻浓缩,（三）冷冻浓缩基本原理,1、冷冻浓缩过程中的固液相平衡 当溶液的浓度低于低共熔浓度时，温度T1的溶液降温到T2以下，溶剂（水）成晶体（冰晶）析出；随着冰晶体的形成及分离，溶液就获得了浓缩。2、冷冻浓缩过程中溶液的冰点3、冷冻浓缩过程中的冰结晶量和浓缩液量,第六章 食品浓缩和结晶,一、冷冻浓缩的基本原理,第三节 冷冻浓缩,4、冷冻浓缩过程中的溶质夹带和溶质脱除（1）溶质夹带 冷冻浓缩过程中析出的冰结晶中有或多或少的溶质混杂其中（2）溶质脱除 是指水分冻结时，排斥溶质，保持冰晶纯净的现象，只有保持在极缓慢冻结的条件下，才有可能发生。5、浓缩终点,（三）冷冻浓缩基本原理,第六章 食品浓缩和结晶,一、冷冻浓缩的基本原理,第三节 冷冻浓缩,二、冷冻浓缩的过程与控制,（一）冰晶生成及控制 1.冰晶体生成速率 2.冰晶生成的方式（1）层状冻结（2）悬浮冻结（二）冰晶与浓缩液的分离（三）冰晶的洗涤,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,（一）冰晶生成及控制,1、影响冰晶大小的因素（1）冰晶体生成速率 冻结速度 冻结方法 搅拌方式 溶液浓度 食品成分,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,二、冷冻浓缩的过程与控制,1、影响冰晶大小的因素,（2）冰晶生成的方式,第六章 食品浓缩和结晶,（一）冰晶生成及控制,第三节 冷冻浓缩,二、冷冻浓缩的过程与控制,（二）冰晶与浓缩液的分离,冰晶分离有压榨机、过滤式离心机、洗涤塔等方法。,（三）冰晶的洗涤,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,二、冷冻浓缩的过程与控制,三、应用于食品工业的冷冻浓缩系统,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,上世纪50年代末学者们开始关注冷冻浓缩工艺以来，人类对冷冻浓缩技术的研究已有较长的历史。荷兰Eindhoven大学Thijssen等在70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶,并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型,从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。,（一）国外发展概况,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,依此冷冻浓缩技术制造的Grenco冷冻浓缩设备在食品工业中用于果汁、葡萄酒、咖啡提取物、牛奶等的浓缩，得到了高质量的产品。Shirai等为降低成本在采用悬浮结晶冷冻法时将小冰晶凝聚成为大冰晶来减小单位体积冰晶的表面积。,（一）国外发展概况,第六章 食品浓缩和结晶,第三节 冷冻浓缩,（一）国外发展概况,Marino Rodriguez等对比研究了反渗透法和冷冻浓缩法在从废水中去除戊酸中的应用，两种操作方法的经济运算结果表明冷冻浓缩法的能耗虽是反渗透的五倍，但却正好折中了反渗透中所用膜的代价。F.A.Ramos等将冷冻浓缩技术应用于一种生长于安第斯山脉的浆果，发现此技术并未改变其果肉的色泽及PH值，并明显降低了挥发性物质的损失量，且很好地保留了浆果独特的香味。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（一）国外发展概况,Osato Miyawaki等将管式结冰渐进式冷冻浓缩系统应用于咖啡萃取物可其溶液浓缩至30%，含果肉的番茄汁可浓缩至12.5%，而将夹带有5%果肉的冰相溶解再次经过管状结冰器浓缩后所得冰相的浓度低至0.25%，如果事先将果肉去除，则番茄汁可浓缩至40%，蔗糖水溶液可由41.8%浓缩至54.8%，且浓缩效果非常好。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（一）国外发展概况,Durward Smith等采用小型简单装置对苹果汁进行了冷冻浓缩工艺的研究，试验表明冷冻浓缩技术很好地保留了果汁中挥发性物质的香气成分，浓缩效果比冷冻干燥包括在内的任何其他浓缩技术都要好。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（一）国外发展概况,Milind V.Rane 等对甘蔗汁进行冷冻浓缩时，在原有设备基础上安装了热泵，建立了相应的数学模型，研究表明热泵性能系数相对较高。该技术将甘蔗汁由20Bx浓缩至40Bx，因减少了焦糖化现象改善了蔗糖的色值，保证了产品的质量，而且每天可节约蔗渣1338千克。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（二）国内研究及应用现状,由于冷冻浓缩的基本原理很简单，我国传统的老陈醋生产工艺中就曾应用过冷冻浓缩技术。近年来，该技术在国内已被广泛应用于各行业中，并在相关理论和设备开发上取得了许多新进展。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,1.酿酒业,詹晓北最早介绍了冷冻浓缩技术在啤酒工业中的应用，表明该技术可在除去冰晶的同时除去形成混浊的多酚、丹宁酸等物质，从而减少啤酒的贮存容积，特别是对冷冻浓缩后的啤酒采用混合水技术可以完全恢复到原来的啤酒。,（二）国内研究及应用现状,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,1.酿酒业,张春娅等通过对葡萄酒进行冷冻分离试验,发现酒精和还原糖比较易于利用冷冻法在液相中进行浓缩分离，通过冷冻浓缩技术改善了干白葡萄酒的品质。,（二）国内研究及应用现状,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,1.酿酒业,孙卉卉等采用根据刘凌等方法改装的冷冻浓缩装置研究了冷冻浓缩对低糖葡萄汁及葡萄酒品质的影响，证明冷冻浓缩是一种可以较好地保持葡萄汁的品质、香气和营养成分的浓缩方法。经过冷冻浓缩折光度提高5Bx的玫瑰蜜葡萄汁含糖量提高了53.8g/L，可滴定酸含量增加接近1倍，但果汁的pH值变化不明显。,第六章 食品浓缩和结晶,（二）国内研究及应用现状,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,2.果汁工业,袁林峰研究了冷冻浓缩工艺对甘蔗汁的影响，对浓缩前后的甘蔗汁进行了感官上的比较，发现浓缩后的甘蔗汁品质稳定，除了在颜色、气味、甜味方面感觉更加浓重外,其它基本保持了冷冻浓缩前甘蔗汁的原有风味。,第六章 食品浓缩和结晶,（二）国内研究及应用现状,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,2.果汁工业,肖旭霖等应用渐进冷冻浓缩原理对苹果汁冷冻浓缩特性进行研究，证明了渐进浓缩法对苹果汁浓缩效果良好，苹果汁中酸度和维生素C含量无影响，浓缩产品感官质量均匀一致,保持了果汁的原有风味。,第六章 食品浓缩和结晶,（二）国内研究及应用现状,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,3.制药业,冷冻浓缩已发展应用到制药工业，因此它为开发新产品和改良品种大开方便之门，并且通过其高效的加工节省了能源。,第六章 食品浓缩和结晶,（二）国内研究及应用现状,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,3.制药业,冯毅用冷冻浓缩工艺对中药水提取液进行中试规模的浓缩试验制取口服液，试验表明用冷冻浓缩工艺代替真空蒸发浓缩可免去某些口服液制造过程中的醇沉工序，从而改善口服液的口感。他们还对新鲜茶叶水提取液进行了冷冻浓缩实验,定量检测了浓缩液的主要有效成分(茶多酚)的含量,发现冷冻浓缩引起的茶多酚损失与冷冻温度及结冰速率有关，冷冻温度高于-8及结冰速率小于213 kg(hm2)，则茶多酚损失小于7%。,第六章 食品浓缩和结晶,（二）国内研究及应用现状,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,4.废水处理,于涛，马军以尿液为试验水样，通过冷冻浓缩试验研究了冷冻温度、溶液浓度、结晶时间等对冰晶纯度的影响，并在此基础上提出了制备高纯度冰晶的途径。高锋等用冷冻浓缩处理大豆乳清废水，可以较大地降低其COD值，又可以使乳清废水中乳清蛋白、大豆低聚糖及大豆异酮的最高浓缩倍数分别达到乳清原液浓度的2.737，3.858和3.120倍。,第六章 食品浓缩和结晶,（二）国内研究及应用现状,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（三）发展动向,食品冷冻浓缩技术与传统浓缩方法相比，其浓缩产品的质量是最好的，但仍存在某些问题。当物料粘度高时难以生成大冰晶，且由于迅速冷却而形成的微小冰晶不能彻底从母液中分离出来，难以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分，从而限制了它的推广与使用。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,近年来有关冷冻浓缩的理论和技术又取得一些新进展。其中，将冰核细菌(Ice Nucleation-Active Bacteria，简称INA细菌)用于食品冷冻浓缩中，是生物技术在食品中的一项独特应用。国外已有相关文献报道，表明INA细菌可显著提高食品的过冷点，缩短冷冻时间，节省大量能源；还可促进较大冰晶的生长，使结晶操作成本降低，同时又使分离操作所需费用及因冰晶夹带所引起的溶质损失减少。,（三）发展动向,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（三）发展动向,Kumeno等用X.campestris INXC-1对蛋清冷冻浓缩后加热形成硬胶，其物理性质如起泡性、稳定性、硬度、粘弹性等均优于常规生产的产品。Minjung等用P.syringae冷冻浓缩苹果汁，加入细菌的样品在-2.2就出现冰核并开始结冰，而不加细菌的样品则无结冰现象。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（三）发展动向,Watanabe等用海藻酸钙包埋E.ananas制成活性胶囊,加入蛋清中做冷冻试验，发现加了细菌的约在-3就有冰晶析出，而没加的则在-18才有冰晶出现，熔化冰晶阶段无显著差异；,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,Watanabe等又用E.ananas冷冻浓缩柠檬汁，浓缩汁的可溶性固形物回收率高，风味营养成分保持好，GC分析和感官评定均表明与原汁无异。Jingkun等从E.herbicola中纯化得到胞外冰蛋白，并以牛奶、果汁、冰淇淋、酸奶、大豆乳、蔗糖及蛋清为原料进行冷冻试验。结果表明胞外冰蛋白的冰核活性比整个细胞高，而且改变了原来常规冷冻的海绵状结构，代之形成有序的纤维状薄片结构。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（三）发展动向,Zasyp-kin等研究了胞外冰蛋白对蔗糖溶液和乳浊液的冷冻规律，表明经纯化的胞外冰蛋白同样提高了冷冻效率，改善了冷冻结构。,（三）发展动向,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,（四）前景展望,冷冻浓缩技术现已证明优质可靠，极具市场活力。随着社会的进步，经济的发展，人们生活水平的提高，冷冻浓缩这一低能耗、可生产高质量产品的加工技术具有很大的发展潜力。此方法除了用于浓缩，也可考虑用于有机废水的处理，活性物质的回收再利用等方面。同时，整体的冰结晶又是很好的蓄冷、降温用冷源。这些方面对于保护环境、促进资源的再利用都是很有意义的。,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,对食品冷冻浓缩技术来说，应在提高冰晶纯度、减少固形物损失及降低生产成本方面加以深入研究，这样才能充分发挥其自身的优势。冰核微生物用于食品冷冻浓缩中，属于生物技术与食品加工相结合的一项高新技术，极富应用潜力。,（四）前景展望,第六章 食品浓缩和结晶,四、冷冻浓缩技术的应用及研究进展,第三节 冷冻浓缩,第四节 膜浓缩,一、膜浓缩的种类及操作原理（一）膜浓缩的种类 1、反渗透 2、超滤 3、电渗析,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,（一）膜浓缩的种类,1、反渗透 利用反渗透膜选择性地透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶液的渗透压，使溶剂通过半透膜而使溶液得到浓缩。（1）渗透（2）渗透平衡和渗透压（3）反渗透,第六章 食品浓缩和结晶,第四节 膜浓缩,如图所示：如果用一个只有水分子才能透过的薄膜将一个水池隔断成两部分,在隔膜两边分别注入纯水和盐水到同一高度。,1、反渗透,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,（一）膜浓缩的种类,第四节 膜浓缩,如图所示：过一段时间就可以发现纯水液面降低了，而盐水的液面升高了。我们把水分子透过这个隔膜迁移到盐水中的现象叫做渗透现象。盐水液面升高不是无止境的，到了一定高度就会达到一个平衡点。这时隔膜两端液面差所代表的压力被称为渗透压。渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。,1、反渗透,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,（一）膜浓缩的种类,第四节 膜浓缩,如图所示：在以上装置达到平衡后,如果在盐水端液面上施加一定压力，此时，水分子就会由盐水端向纯水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的过程这一现象被称为反渗透现象。如果将盐水加入以上设施的一端，并在该端施加超过该盐水渗透压的压力，我们就可以在另一端得到纯水。这就是反渗透净水的原理。,1、反渗透,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,（一）膜浓缩的种类,第四节 膜浓缩,2、超滤 应用孔径为1.020.0nm（或更大）的半透膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子在溶液中得到浓缩的过程称之为超滤浓缩。,（一）膜浓缩的种类,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,第四节 膜浓缩,3、电渗析,电渗析工程是应用膜法分离工程之一，它的原理是利用离子透过选择性离子交换膜在直流电场的作用下进行迁移，使电解质离子从溶液中部分分离出来的过程。主要用途:生产纯净水 海水淡化，苦咸水淡化 除氟化物、废水处理 动力设备给水除盐,（一）膜浓缩的种类,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,第四节 膜浓缩,（二）膜材料的种类及膜组件,1.膜的性能2.膜的种类（1）纤维素膜（2）聚亚酰胺膜（3）聚砜系膜 3.膜组件,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,第四节 膜浓缩,1.膜的性能（1）物化稳定性（2）分离透过性能2.膜的种类（1）纤维素膜（2）聚亚酰胺膜（3）聚砜系膜,（二）膜材料的种类及膜组件,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,第四节 膜浓缩,3.膜组件,（1）平板式组件（2）管式组件（3）卷式组件（4）中空纤维式组件,第六章 食品浓缩和结晶,一、膜浓缩的种类及操作原理,第四节 膜浓缩,