冷凍濃縮技術(shù)

1、 冷凍濃縮技術(shù) 3 冷凍濃縮的應(yīng)用冷凍濃縮的應(yīng)用4 冷凍濃縮的發(fā)展前景冷凍濃縮的發(fā)展前景1 基本理論和介紹基本理論和介紹2 裝置系統(tǒng)裝置系統(tǒng)welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience發(fā)展狀況 自上世紀50年代末學(xué)者們開始關(guān)注冷凍濃縮這一工藝以來，人類對冷凍濃縮技術(shù)的研究已有較長的歷史。荷蘭Eindhoven大學(xué)Thijssen等在70年代成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應(yīng)設(shè)置了再結(jié)晶過程造大冰晶,并建立了冰晶生長與種晶大小及添加量的數(shù)學(xué)模型,從此冷凍濃縮技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

2、 冷凍濃縮是利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理，將水以固態(tài)方式從溶液中去除的一種濃縮方法。具有可在低溫下操作;氣液界面小;微生物增殖、溶質(zhì)的劣化及揮發(fā)性芳香成分的損失可控制在極低的水平等優(yōu)點。冷凍濃縮是近年來發(fā)展迅速的一種濃縮方式。 圖1為表示水溶液與冰之間的固液平衡關(guān)系的示意圖,圖中物系組成為質(zhì)量分數(shù)。 與冷凍濃縮有關(guān)的是共晶點E（溶液組成wE）以左的部分。DE為溶液組成和冰點關(guān)系的凍結(jié)曲線，凍結(jié)曲線上側(cè)是溶液狀態(tài)，下側(cè)是冰和溶液的共存狀態(tài)。 在溫度T的狀態(tài)下，冷卻組成為wA的溶液到T時，開始有冰晶析出，TA是溶液的冰點，繼續(xù)冷卻至B點，殘留溶液的組成增加為wB，凝固溫度降為TB，理論上講最

3、終可濃縮至wE，這就是冷凍濃縮的原理 。 基本原理基本原理下圖所示,可分為冷卻過程、冰結(jié)晶生成與長大的結(jié)晶過程及冰和濃縮液的分離過程。冷凍濃縮依結(jié)晶方式的不同可分為懸浮結(jié)晶冷凍濃縮法和漸進冷凍濃縮法冷凍濃縮過程冷凍濃縮過程 結(jié)晶過程 結(jié)晶的大小不僅與結(jié)晶成本有關(guān)，而且也與此后的分離有關(guān) ，因此，要降低結(jié)晶和分離的成本，減少溶質(zhì)的損失，必須要有適當(dāng)大小的冰晶。 晶體的大小和數(shù)量與溶液冷卻速度和冰晶成長速度有關(guān)，晶體成長速度與溶質(zhì)向晶面的擴散作用和晶面上的析晶反應(yīng)作用有關(guān)，因此，可利用結(jié)晶操作的條件來控制晶體大小和數(shù)量。結(jié)晶形式一種是在管式、板式、轉(zhuǎn)鼓式以及帶式設(shè)備中進行的，稱為層狀凍結(jié)。這種凍結(jié)

4、是晶層依次沉積在先前由同一溶液所形成的晶層之上，是種單向的凍結(jié)。冰晶長成針狀或棒狀，帶有垂直于冷卻面的不規(guī)則斷面。層狀凍結(jié)的特點懸浮凍結(jié)法另一種，發(fā)生在攪拌的晶體懸浮液中稱為懸浮凍結(jié)。它是一種不斷排除在母液中懸浮的自由小冰晶，使母液濃度增加而實現(xiàn)濃縮的方法。以此為基礎(chǔ)制造的Grenco冷凍濃縮設(shè)備至今仍被作為冷凍濃縮設(shè)備的代表,其濃縮過程如圖3所示。懸浮凍結(jié)法該過程首先將被濃縮物料泵入刮板式熱交換器中,生成部分細微的冰結(jié)晶后送入再結(jié)晶罐,由于奧斯特瓦爾德效應(yīng),小冰晶融化,大冰晶成長,然后通過洗凈塔排除冰晶并用部分冰融解液沖液及回收冰晶表面附著的濃縮液,清洗液回流至進料端,濃縮液則循環(huán)至所要求的

5、組成后從結(jié)晶罐底部排出。這一方法用于速溶咖啡、速溶茶、濃縮橙汁等的生產(chǎn),得到了高質(zhì)量產(chǎn)品。但由于投資大、成本高,引用該系統(tǒng)進行冷凍濃縮加工的廠家很有限,還未能在更大的范圍內(nèi)推廣懸浮凍結(jié)的特點 在懸浮凍結(jié)過程中，晶核形成速率與溶質(zhì)濃度成正比，并與溶液主體過冷度的平方成正比。由于結(jié)晶熱一般不可能均勻地從整個懸浮液中除去，所以總存在著局部的點其過冷度大于溶液主體的過冷度。從而在這些局部冷點處，晶核形成就比溶液主體快得多，而晶體成長就要慢一些。因此，提高攪拌速度，使溫度均勻化，減少這些冷點的數(shù)目，對控制晶核形成過多是有利的。 在懸浮凍結(jié)操作中，如將小晶體懸浮液與大晶體懸浮液混合還一起，混合后的溶液主體

6、溫度將介于大、小晶體的平衡溫度之間。由于此主體溫度高于小晶體的平衡溫度，小晶體就溶解，相反大晶體就會長大。 因此，若冷點處所產(chǎn)生的小晶核立即從該處移出并與含大晶體的溶液主體均勻混合，則所有小晶核將溶解。這種以消耗小晶體為代價而使大晶體成長的作用，常為工業(yè)懸浮凍結(jié)操作中所采用。 由于在母液中形成大量的冰結(jié)晶,單位體積冰晶的表面積很大,所以懸浮結(jié)晶法的優(yōu)、缺點都非常突出。其優(yōu)點是能夠迅速形成潔凈的冰晶且濃縮終點較大,但是冰結(jié)晶與濃縮液的固液分離比較困難比較困難。為了方便分離,希望得到盡可能大的冰結(jié)晶以減少總的固液界面,因此需要使再結(jié)晶槽保持較小過冷卻度,以避免二次核的生成,以使冰結(jié)晶緩慢地成長,最

7、后成較大的冰晶6。該過程對裝置和操作的要求均較高。同時,由于低溫下濃縮液粘度大,也給固液分離增加了困難,在目前采用的方法中,離心法和加壓法分離效果不佳,洗凈法回收效果較好7,但是大量洗凈液的再濃縮會降低生產(chǎn)效率并使能耗增加。這些都是造成懸浮結(jié)晶法成本高的原因綜上所述對懸浮結(jié)晶法應(yīng)注意研究的問題有:增大冰晶直徑減小單位體積冰晶的表面積;更加有效地控制結(jié)晶過程,以避免二次核的生成。（2）分離過程 對于冰晶一濃縮液的過濾分離，過濾床層為冰晶床通常濃縮液透過冰床的流動為層流，過濾速度的計算式為： 由上式可以看出，在分離操作中，生產(chǎn)能力與濃縮液的粘度成反比，與冰晶粒度平 方成正比。 二 裝置系統(tǒng) 1 結(jié)

8、晶設(shè)備：管式、板式、攪拌夾套式、刮板式等熱交換器，以及真空結(jié)晶器、內(nèi)冷轉(zhuǎn)鼓式結(jié)晶器、帶式冷卻結(jié)晶器等設(shè)備。2分離設(shè)備：壓濾機、過濾式離心機、洗滌塔，以及由這些設(shè)備組合而成的分離裝置等。（1）結(jié)晶裝置1 直接冷卻式真空凍結(jié)器直接冷卻式真空凍結(jié)器 在此凍結(jié)器中，溶液在絕對隨力267Pa下沸騰，液溫為-3。 優(yōu)點：不必設(shè)置冷卻面。 缺點：蒸發(fā)掉的部分芳香物質(zhì)將隨同蒸氣或惰性氣體一起逸出而損失。 在食品工業(yè)中，由于芳香物質(zhì)的損失問題，直接冷卻法凍結(jié)裝置的應(yīng)用受到限制。但是，這種凍結(jié)器若與適當(dāng)?shù)奈掌鹘M合起來，可以顯著減少芳香物質(zhì)的損失。 2 2 內(nèi)冷式結(jié)晶器內(nèi)冷式結(jié)晶器 第 一種是產(chǎn)生固化懸浮液的結(jié)晶

9、器，屬于層狀凍結(jié)。優(yōu)點：因為部分固化，所以即使稀溶液也可濃縮到40以上，具有洗滌簡便的特點。 第二種是產(chǎn)生可泵送的漿液的結(jié)晶器。采用結(jié)晶操作和分離操作分開的方法。因冰晶很細，故冰晶和濃縮液分離很困難。 冷凍濃縮所采用的大多數(shù)內(nèi)冷式結(jié)晶器多是屬于第二種結(jié)晶器，并且刮板式換熱器是第二種結(jié)晶器的典型運用之一 。 第一種外冷式要求料液先經(jīng)過外部冷卻器作過冷處理，過冷度可高達6，然后此過冷而不含晶體的料液 在 結(jié) 晶 器 內(nèi) 將 其 “ 冷 量 ” 放 出 。 第二種外冷式結(jié)晶器是全部懸浮液在結(jié)晶和換熱器之間進行再循環(huán)，晶體主要是在結(jié)晶器內(nèi)長大。 第三種外冷式結(jié)晶器的特點： (1)在外部熱交換器中生成亞

10、臨界晶體； (2)部分不含晶體的料液在結(jié)晶器與換熱器之間進行再循環(huán)。 （2）分離設(shè)備 冷凍濃縮操作的分離設(shè)備有壓榨機、過濾式離心機和洗滌塔等 。 通常采用的壓榨機有水力活塞壓榨機和螺旋壓榨機。 采用離心機的方法，可以用洗滌水或?qū)⒈芑髞硐礈毂?，因此分離效果比用比壓榨法好。 在洗滌塔內(nèi)，分離比較完全，而且沒有稀釋現(xiàn)象。 因為操作時完全密閉并無頂部空隙、故可完全避免芳香物質(zhì)的損失。 冷凍濃縮 冷凍濃縮是近年來發(fā)展迅速的一種濃縮方式，由于在低溫常壓下操作， 具有可阻止不良化學(xué)變化和生物化學(xué)變化及風(fēng)味、香氣和營養(yǎng)損失小等優(yōu)點， 備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。并且特別適用于濃縮熱敏性液態(tài)食品、生物制藥、要求

11、保留天然色香味的高檔飲品及中藥湯劑等。因此， 冷凍濃縮這一低能耗、可生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品的加工技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＠鋬鰸饪s 冷凍濃縮的主要缺點是:制品加工后還需冷凍或加熱等方法處理，以便保藏； 采用這種方法，不僅受到溶液濃度的限制，而且還取決于冰晶與濃縮液的分離程度。一 般而言，溶液粘度愈高，分離就愈困難。過程中會造成不可避免的損失，且成本較高。 三 冷凍濃縮的應(yīng)用 冷凍濃縮設(shè)備在食品工業(yè)中用于果汁、葡萄酒、乳制品等的濃縮，得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品。隨著眾多學(xué)者的深入研究及實驗設(shè)備的不斷改進，近年來有關(guān)冷凍濃縮技術(shù)的研究成果時常見諸報道。 果汁行業(yè)：冷凍濃縮技術(shù)很好地保留了果汁中揮發(fā)性物質(zhì)的香氣成分

12、， 濃縮效果比冷凍干燥包括在內(nèi)的任何其他濃縮技術(shù)都要好。 釀酒行業(yè)：該技術(shù)可除去啤酒中冰晶的同時除去形成混濁的多酚、丹寧酸等物質(zhì)， 從而減少它的的貯存容積；還可以較好地保持葡萄酒的品質(zhì)、香氣和營養(yǎng)成分。乳制品行業(yè)：對去脂牛乳為對象進行冷凍濃縮維持最佳熱平衡條件，可以獲得易分離的表面光滑的大冰晶。濃縮包括全牛乳、甜乳清、酸乳清、乳清蛋白濃縮物和乳清透過物在內(nèi)的牛乳制品， 取得了良好的效果。茶行業(yè)：可以使茶飲料中含有的營養(yǎng)成分與風(fēng)味物質(zhì)等得到最大限度的保護。制藥業(yè)：冷凍濃縮可以代替蒸發(fā)濃縮免去某些口服液制造過程的醇沉工序，改善其口感；為低聚木糖冷凍濃縮過程的開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。環(huán)保方面：冷凍濃

13、縮法可以使海水脫鹽， 利用海水制備純水， 還能處理污水和廢水， 整體的冰結(jié)晶又是很好的蓄冷、降溫用冷源， 對于保護環(huán)境、促進資源的再利用都有重大的意義。 近年來有關(guān)冷凍濃縮的理論和技術(shù)又取得一些新進展。其中，將冰核細菌( Ice NucleationActive Bacteria，簡稱INA細菌) 用于食品冷凍濃縮中,是生物技術(shù)在食品中的一項獨特應(yīng)用。國外已有相關(guān)文獻報道表明:INA細菌可顯著提高食品的過冷點，縮短冷凍時間,節(jié)省大量能源；還可促進較大冰晶的生長，使結(jié)晶操作成本降低;同時又使分離操作所需費用及因冰晶夾帶所引起的溶質(zhì)損失減少。四 冷凍濃縮的發(fā)展前景 食品冷凍濃縮技術(shù)與傳統(tǒng)濃縮方法相比，其濃縮產(chǎn)品的質(zhì)量是最好的，但仍存在某些問題。當(dāng)物料粘度高時難以生成大冰晶，且由于迅速冷卻而形成的微小冰晶不能徹底從母液中分離出來