第六章食品的濃縮與結(jié)晶

1、課程名稱食品加工與保藏原理授課班級(jí)食品1431授課時(shí)間2015.11.11授課時(shí)數(shù)2本次內(nèi)容食品的濃縮和結(jié)晶教具多媒體教學(xué)目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1. 能區(qū)分平衡濃縮和非平衡濃縮。1. 掌握食品濃縮意義、目的；2. 掌握蒸發(fā)器的分類。單效、多效蒸發(fā)器特點(diǎn)。重點(diǎn) 濃縮作用難點(diǎn)不同多效蒸發(fā)器作用機(jī)理 能力訓(xùn)練方式方法講解、問答、互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)間安排復(fù)習(xí)：5min講解、互動(dòng)：75min小結(jié)：5min看書鞏固知識(shí)點(diǎn)：5min課外作業(yè)預(yù)習(xí)課堂考勤41參考資料食品加工與保藏原理課程名稱食品加工與保藏原理授課班級(jí)食品1431授課時(shí)間2015.11.18授課時(shí)數(shù)2本次內(nèi)容食品的濃縮和結(jié)晶教具多媒體教學(xué)目標(biāo)

2、能力（技能）目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1. 能進(jìn)行多效蒸發(fā)的溫差計(jì)算。1. 掌握多效蒸發(fā)原理；2. 掌握冷凍濃縮原理；3. 了解冷凍濃縮特點(diǎn)。重點(diǎn) 濃縮原理難點(diǎn)多效蒸發(fā)溫差分配能力訓(xùn)練方式方法講解、問答、互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)間安排復(fù)習(xí)：5min講解、互動(dòng)：75min小結(jié)：5min看書鞏固知識(shí)點(diǎn)：5min課外作業(yè)預(yù)習(xí)課堂考勤41參考資料食品加工與保藏原理食品濃縮的分類和目的食品的冷凍濃縮技術(shù)食品的膜濃縮技術(shù) 食品的結(jié)晶技術(shù)食品的蒸發(fā)濃縮技術(shù)一、食品濃縮的分類和目的 濃縮是從溶液中除去部分溶劑（通常是水）的操作過程，也是溶質(zhì)和溶劑均勻混合液的部分分離過程。按濃縮的原理分為平衡濃縮和非平衡濃縮兩種物理方法。平衡濃縮平衡

3、濃縮 利用兩相在分配上的某種差異而獲得溶質(zhì)濃縮液和溶劑的分離方法。如蒸發(fā)濃縮和冷凍濃縮。非平衡濃縮非平衡濃縮 利用半透膜的選擇性來達(dá)到分離溶質(zhì)與溶劑的過程。濃縮在食品工業(yè)中的其主要目的：濃縮在食品工業(yè)中的其主要目的： 減少重量和體積減少重量和體積 濃縮去除食品中大量的水分，減少濃縮去除食品中大量的水分，減少食品包裝、貯藏和運(yùn)輸費(fèi)用。食品包裝、貯藏和運(yùn)輸費(fèi)用。 可提高制品濃度，增大滲透壓，降低水分活度，抑制可提高制品濃度，增大滲透壓，降低水分活度，抑制微生物生長(zhǎng)，延長(zhǎng)保質(zhì)期。微生物生長(zhǎng)，延長(zhǎng)保質(zhì)期。 作為干燥、結(jié)晶或完全脫水的預(yù)處理過程。作為干燥、結(jié)晶或完全脫水的預(yù)處理過程。 降低食品脫水過程的

4、能耗降低食品脫水過程的能耗 。 改善產(chǎn)品質(zhì)量。改善產(chǎn)品質(zhì)量。食品中可溶性固形物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）食品中可溶性固形物（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）65%65%以上，且物料中有一以上，且物料中有一定酸度。即可用相對(duì)緩和巴氏殺菌進(jìn)行消毒。定酸度。即可用相對(duì)緩和巴氏殺菌進(jìn)行消毒。（一）蒸發(fā)濃縮 蒸發(fā)是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的濃縮方法之一，具有操操作簡(jiǎn)單，工藝成熟，設(shè)備投資低，濃縮效率高作簡(jiǎn)單，工藝成熟，設(shè)備投資低，濃縮效率高等優(yōu)點(diǎn)。其原理是利用溶質(zhì)和溶劑之間揮發(fā)度的差異，利用熱能使溶利用溶質(zhì)和溶劑之間揮發(fā)度的差異，利用熱能使溶劑汽化，而溶質(zhì)是非揮發(fā)性的則留在溶液中劑汽化，而溶質(zhì)是非揮發(fā)性的則留在溶液中，從而達(dá)到分離的目的。 蒸

5、發(fā)濃縮主要指水溶蒸發(fā)濃縮主要指水溶液的濃縮液的濃縮1.1.蒸發(fā)濃縮物料發(fā)生變化蒸發(fā)濃縮物料發(fā)生變化u成分變化、黏度增加；u結(jié)垢結(jié)垢 過度受熱產(chǎn)生結(jié)塊，焦化；可用高流速或加強(qiáng)設(shè)備清洗來減緩結(jié)垢生成。u起泡起泡 尤其是含蛋白質(zhì)膠體較多的食物。u結(jié)晶結(jié)晶 妨礙熱傳遞u腐蝕儀器2. 蒸發(fā)濃縮的分類蒸發(fā)濃縮的分類根據(jù)對(duì)二次蒸汽的利用對(duì)二次蒸汽的利用分為 單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)；根據(jù)操作壓力操作壓力分為 常壓蒸發(fā)、真空蒸發(fā)和加壓蒸發(fā)；根據(jù)操作方式操作方式分為 間歇式蒸發(fā)、連續(xù)式蒸發(fā)和循環(huán)式蒸發(fā)。雙效真空蒸發(fā)雙效真空蒸發(fā) 設(shè)備設(shè)備 單效真空蒸發(fā)單效真空蒸發(fā) 設(shè)備設(shè)備 3.蒸發(fā)器的類型及選擇蒸發(fā)器的類型及選擇 蒸

6、發(fā)器主要由加熱室（器）加熱室（器）和和分離室（器）分離室（器）兩部分組成。 加熱室：加熱室最初采用的是夾層式和蛇（盤）管式，后有各種板式、管式等換熱器形式。為了強(qiáng)化傳熱，采用強(qiáng)制循環(huán)替代自然循環(huán)強(qiáng)制循環(huán)替代自然循環(huán)，也有采用帶葉片的刮板薄膜發(fā)器和離心薄膜蒸發(fā)器等。 蒸發(fā)器分離室：將二次蒸汽中夾帶的霧沫分離出來。為了使霧沫中的液體回到料液中，分離室需具有足分離室需具有足夠大的直徑和高度以降低夠大的直徑和高度以降低蒸汽流速蒸汽流速，并有充分的機(jī)會(huì)使其返回到料液中。 選擇、設(shè)計(jì)蒸發(fā)器，要以料液的特性（熱敏性、黏度等）料液的特性（熱敏性、黏度等）作為重要依據(jù)，全面衡量，通常選用蒸發(fā)器要滿足以下的基本要

7、求： 符合工藝要求，溶液的濃縮比適當(dāng)； 傳熱系數(shù)高，有較高的熱效率且能耗低； 結(jié)構(gòu)合理緊湊，操作、清洗方便，衛(wèi)生、安全可靠； 動(dòng)力消耗要低; 設(shè)備要便于檢修，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。蒸蒸 發(fā)發(fā) 器器 的的 選選 用用物料熱敏物料熱敏性性制品黏制品黏度度適用的蒸發(fā)器類型適用的蒸發(fā)器類型說明說明無無低或中低或中等等管式、板式、固定圓錐式管式、板式、固定圓錐式水平管式不適合于結(jié)垢制品水平管式不適合于結(jié)垢制品無或小無或小高高真空鍋、刮板膜式、旋轉(zhuǎn)真空鍋、刮板膜式、旋轉(zhuǎn)圓錐式圓錐式瓊膠、明膠、肉浸出液的濃縮瓊膠、明膠、肉浸出液的濃縮采用間歇式采用間歇式熱敏熱敏低或中低或中等等管式、板式、固定圓錐式管式、板式

8、、固定圓錐式包括牛奶、果汁等含適度固形包括牛奶、果汁等含適度固形物的制品物的制品熱敏熱敏高高刮板膜式、固定圓錐式刮板膜式、固定圓錐式包括多數(shù)果汁濃縮液、酵母浸包括多數(shù)果汁濃縮液、酵母浸出液及某些藥品。對(duì)漿狀制出液及某些藥品。對(duì)漿狀制品只能用刮板膜式品只能用刮板膜式高熱敏高熱敏低低管式、板式、固定圓錐式管式、板式、固定圓錐式要求單效蒸發(fā)要求單效蒸發(fā)高熱敏高熱敏高高板式、固定圓錐式板式、固定圓錐式要求單效蒸發(fā)，包括橙汁濃縮要求單效蒸發(fā)，包括橙汁濃縮液、蛋白液、蛋白4.4.蒸發(fā)濃縮過程的節(jié)能與多效蒸發(fā)蒸發(fā)濃縮過程的節(jié)能與多效蒸發(fā)單效真空蒸發(fā)單效真空蒸發(fā) 容易操作控制；可依據(jù)物料的粘性、熱敏性等，控制

9、蒸； 發(fā)溫度和蒸發(fā)速率； 物料在不斷地濃縮，其沸點(diǎn)、黏度也隨濃度的提高而增大； 由于液層靜壓效應(yīng)，液面下局部沸騰溫度高于液面上的沸騰溫度，引起局部結(jié)垢、焦化，嚴(yán)重影響熱傳遞； 熱耗高，傳熱面積不能太大。1.多效真空蒸發(fā)的特點(diǎn)多效真空蒸發(fā)的特點(diǎn) 在真空條件下，液體的沸點(diǎn)低沸點(diǎn)低，有利于增大加熱蒸汽與液體之間的溫差，增大傳熱效率，減少傳熱面積； 物料在較低溫度下蒸發(fā)，可以減少對(duì)熱敏性物料的破壞； 便于采用低壓蒸汽和廢熱蒸汽作為熱源，降低能耗，提高生產(chǎn)效率。 真空蒸發(fā)需要配備真空系統(tǒng)，會(huì)增大設(shè)備投資及動(dòng)力消耗。順流式順流式料液蒸汽成品冷水至真空泵（a）2.多效蒸發(fā)的形式多效蒸發(fā)的形式 按照多效蒸發(fā)加

10、料方式和蒸汽流動(dòng)方向，可分為按照多效蒸發(fā)加料方式和蒸汽流動(dòng)方向，可分為順流式、順流式、逆流式和平流式逆流式和平流式三種多效蒸發(fā)。三種多效蒸發(fā)。 成品加熱蒸汽原料液（b）逆流式逆流式至真空泵冷水成品蒸汽冷凝水冷凝水冷凝水成品成品平流式平流式（a a）順流法）順流法 料液蒸汽成品冷水至真空泵 由于由于后一效蒸發(fā)室的壓力比前一效低后一效蒸發(fā)室的壓力比前一效低，料液在效間的，料液在效間的輸送不用泵而可利用各效間的壓力差；輸送不用泵而可利用各效間的壓力差；后一效料液的沸點(diǎn)后一效料液的沸點(diǎn)比前一效低比前一效低，當(dāng)料液進(jìn)入下一效時(shí)發(fā)生，當(dāng)料液進(jìn)入下一效時(shí)發(fā)生閃蒸閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生較現(xiàn)象，產(chǎn)生較多的二次蒸汽；濃縮

11、液的溫度依次降低，對(duì)熱敏性物料的多的二次蒸汽；濃縮液的溫度依次降低，對(duì)熱敏性物料的濃縮有利；但隨著逐效料液濃度增高，溫度降低，黏度增濃縮有利；但隨著逐效料液濃度增高，溫度降低，黏度增大，傳熱系數(shù)下降，增加了末效蒸發(fā)的困難。大，傳熱系數(shù)下降，增加了末效蒸發(fā)的困難。 成品加熱蒸汽原料液（b）（b b）逆流法）逆流法 隨著料液向前一效流動(dòng)，濃度越來越高濃度越來越高，而蒸發(fā)溫度溫度也越來越高也越來越高，故各效料液黏度變化較小，有利于改善循環(huán)，提高傳熱系數(shù)。但高溫加熱面上的濃料液的局部過熱易引起結(jié)垢和營(yíng)養(yǎng)成分的破壞，且效間料液的輸送需用泵來實(shí)現(xiàn)。與順流相比，水分蒸發(fā)量稍低水分蒸發(fā)量稍低。逆流法適合黏度隨

12、溫度和濃度變化大的料液的蒸發(fā)逆流法適合黏度隨溫度和濃度變化大的料液的蒸發(fā)。 （c c）平流法）平流法 平流法適用于在蒸發(fā)進(jìn)行的同時(shí)有晶體析出的料液的平流法適用于在蒸發(fā)進(jìn)行的同時(shí)有晶體析出的料液的濃縮，如食鹽溶液的濃縮結(jié)晶。濃縮，如食鹽溶液的濃縮結(jié)晶。 有些多效蒸發(fā)同時(shí)采用順流和逆流加料法，即某些效有些多效蒸發(fā)同時(shí)采用順流和逆流加料法，即某些效采用順流，而另些效采用逆流，充分利用其優(yōu)點(diǎn)，這種蒸采用順流，而另些效采用逆流，充分利用其優(yōu)點(diǎn)，這種蒸發(fā)方法稱為混流加料法，尤其適用于發(fā)方法稱為混流加料法，尤其適用于料液黏度隨濃度而顯料液黏度隨濃度而顯著增加的料液蒸發(fā)著增加的料液蒸發(fā)。在多效蒸發(fā)流程中，有時(shí)

13、將某一效的。在多效蒸發(fā)流程中，有時(shí)將某一效的二次蒸汽引出一部分用于預(yù)熱物料或用于其他加熱目的。二次蒸汽引出一部分用于預(yù)熱物料或用于其他加熱目的。被引出的二次蒸汽稱為額外蒸汽。從蒸發(fā)器中引出額外蒸被引出的二次蒸汽稱為額外蒸汽。從蒸發(fā)器中引出額外蒸汽作為它用，是一項(xiàng)提高熱能利用率和經(jīng)濟(jì)性的措施。汽作為它用，是一項(xiàng)提高熱能利用率和經(jīng)濟(jì)性的措施。 作業(yè)1.1.超高壓、脈沖電場(chǎng)殺菌原理、特點(diǎn)。超高壓、脈沖電場(chǎng)殺菌原理、特點(diǎn)。超高壓原理超高壓原理：高壓下，蛋白質(zhì)和酶發(fā)生變性，微生物細(xì)胞核膜被壓成很多小碎片和原生質(zhì)一起變?yōu)楹隣?，這種不可逆變化造成微生物死亡。特點(diǎn)特點(diǎn)：酸性食品（Ph4.6）：可作為巴氏殺菌輔

14、助手段。 對(duì)芽胞需結(jié)合其它方法使用。脈沖電場(chǎng)原理 1.將食品置于兩個(gè)電極間產(chǎn)生瞬間高壓電場(chǎng)、高壓電脈沖破破壞細(xì)胞膜，改變其通透性壞細(xì)胞膜，改變其通透性、從而殺死細(xì)菌。 2. 電極附近物質(zhì)電離產(chǎn)生的陰、陽離子與膜內(nèi)生命物質(zhì)作用，因而阻斷了膜內(nèi)正常生化反應(yīng)和新陳代謝過程等的進(jìn)行。同時(shí)，液體介質(zhì)電離產(chǎn)生氧化性離子發(fā)生強(qiáng)烈氧化作用，能與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng) 。 特點(diǎn)特點(diǎn)P175P175：試述常見的食品物料的凍結(jié)方法及特點(diǎn)：試述常見的食品物料的凍結(jié)方法及特點(diǎn)P159： 空氣凍結(jié)法 間接接觸凍結(jié)法 直接凍結(jié)法3.多效蒸發(fā)的溫差分配多效蒸發(fā)的溫差分配 若將第一效的加熱蒸汽溫度設(shè)為T1，冷凝器的冷凝溫

15、度為TK，則總溫差為TT1TK，。在理想的情況下（無能量損失），有效溫差T 等于總溫差；實(shí)際上，有效溫差小于總溫差。 各效間有效溫差的分配應(yīng)符合下列比例關(guān)系：132123112233:nnnnQQQQTTTTK AK AK AK A A:傳熱面積；K:傳熱系數(shù) 各效面積相等原則各效面積相等原則 按此原則，各效傳熱面積A相等。使用相同的大小的蒸發(fā)器也便于制造、安裝、檢修和操作。此時(shí)132123123:nnnQQQQTTTTKKKK有效溫差確定原則：有效溫差確定原則： 鄰效間等壓差原則鄰效間等壓差原則即各效之間的壓力降相等。 各效蒸發(fā)量按比例原則各效蒸發(fā)量按比例原則 若無額外蒸汽引出的順流操作，各

16、效水分蒸發(fā)量（W）可按經(jīng)驗(yàn)比例進(jìn)行初步估計(jì)： 雙效： W1W211.1 三效： W1W2W311.11.24.多效蒸發(fā)的效數(shù)多效蒸發(fā)的效數(shù) 多效蒸發(fā)充分利用熱能，蒸發(fā)單位質(zhì)量的水所消耗的蒸汽消耗多效蒸發(fā)充分利用熱能，蒸發(fā)單位質(zhì)量的水所消耗的蒸汽消耗降低，且效數(shù)越多，冷卻水用量越少。但隨著效數(shù)的增加，電耗、降低，且效數(shù)越多，冷卻水用量越少。但隨著效數(shù)的增加，電耗、泵、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等也隨之增加。泵、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等也隨之增加。 用于脫脂乳真空濃縮的效數(shù)與其他消耗的關(guān)系用于脫脂乳真空濃縮的效數(shù)與其他消耗的關(guān)系指指 標(biāo)標(biāo) 蒸發(fā)效數(shù)蒸發(fā)效數(shù)1 12 23 34 4一次蒸汽消耗一次蒸汽消耗 /t/th

17、h-1-16.876.873.233.232.072.071.571.57二次蒸汽消耗二次蒸汽消耗 / t/ t汽汽h h-1-10.8550.8550.4040.4040.2590.2590.1820.182電耗電耗 / /kWkWh h 11.211.29.79.713.313.316.716.7電耗比電耗比 /kW/kWh ht t-1-1水水1.41.41.211.211.661.662.092.09冷卻水耗量冷卻水耗量 /m/m3 3h h5755752012011091097676換熱器面積換熱器面積 / m/ m2 2126126185185230230300300預(yù)熱器、滅菌器

18、等預(yù)熱器、滅菌器等2828404052525555冷凝器冷凝器5365361881881021027373總熱交換面積總熱交換面積 /m/m2 2690690413413384384428428 多效真空蒸發(fā)濃縮可以節(jié)省蒸發(fā)的蒸汽消耗，且隨效多效真空蒸發(fā)濃縮可以節(jié)省蒸發(fā)的蒸汽消耗，且隨效數(shù)的增加，耗汽量不斷下降。但并非效數(shù)越多越好，在數(shù)的增加，耗汽量不斷下降。但并非效數(shù)越多越好，在食品工業(yè)中，目前食品工業(yè)中，目前應(yīng)用最多的是應(yīng)用最多的是3 35 5效效真空蒸發(fā)，工業(yè)真空蒸發(fā)，工業(yè)上采用最多的也只有上采用最多的也只有7 7效，即效數(shù)是有限的，其原因：效，即效數(shù)是有限的，其原因： 物料性質(zhì)的限制物

19、料性質(zhì)的限制 （物料初始溫度和最終溫度）（物料初始溫度和最終溫度） 設(shè)備費(fèi)用增加設(shè)備費(fèi)用增加 （維護(hù)、安裝費(fèi)用等）（維護(hù)、安裝費(fèi)用等） 溫差損失增加（損失溫差可能等于總溫差）溫差損失增加（損失溫差可能等于總溫差）5.多效蒸發(fā)過程中的節(jié)能措施多效蒸發(fā)過程中的節(jié)能措施 設(shè)計(jì)開發(fā)新型蒸發(fā)設(shè)備（扭流管）； 蒸汽再壓縮蒸發(fā)； 利用余熱預(yù)熱物料或用于其他加熱目的。 蒸汽在壓縮蒸發(fā)過程中，利用各種壓縮方法，將二次蒸汽的熱力狀態(tài)提高到接近原來的生蒸汽狀態(tài)，是多效蒸發(fā)過程中最為常用的節(jié)能措施。 一、概一、概 述述 冷凍濃縮是利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理的一種濃縮方法。即將水溶液中的一部分以冰的形式析出，將

20、水溶液中的一部分以冰的形式析出，并將其從液相中分離出去而使溶液濃縮并將其從液相中分離出去而使溶液濃縮。 冷冷 卻卻冷凍濃縮的流程圖冷凍濃縮的流程圖原料液原料液結(jié)結(jié) 晶晶分分 離離濃縮液濃縮液冰冰 晶晶特點(diǎn)特點(diǎn)：1.產(chǎn)品需再次進(jìn)行熱處理或冷凍保藏；2.溶液黏度增加，分離困難；3.除去溶劑時(shí)溶質(zhì)也有損失，成本高。 適合對(duì)象：適合對(duì)象： 熱敏性液態(tài)食品、生物制藥、要求保留天然色香味的飲料及中草藥浸提液等。 結(jié)晶時(shí)避免局部過冷結(jié)晶時(shí)避免局部過冷為了更好地使操作時(shí)形成的冰晶不混有溶質(zhì)，分離時(shí)又不致使冰晶夾帶溶質(zhì)，造成過多的溶質(zhì)損失在一些二元體系中，在升溫過程中，兩組分能以任何比例互相熔成一個(gè)液相。如果兩

21、個(gè)組分以適當(dāng)比例混合，在某一溫度下兩個(gè)固體組某一溫度下兩個(gè)固體組分可同時(shí)熔化分可同時(shí)熔化，且這個(gè)溫度通常低于每一純組分的溫度，該溫度叫低共熔溫度冷凍濃縮原理冷凍濃縮原理溫溫度度溫溫度度溶質(zhì)溶質(zhì)水水最低共熔點(diǎn)最低共熔點(diǎn)A 原理原理：此法溶液在濃度上有限度，當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度超過低共熔濃度超過低共熔濃度時(shí)，過飽和溶液冷卻的結(jié)果表現(xiàn)為溶質(zhì)轉(zhuǎn)溶質(zhì)轉(zhuǎn)化為晶體化為晶體析出。這種操作不但不會(huì)提高溶液中溶質(zhì)的濃度，反而降低了溶質(zhì)的濃度。但當(dāng)溶液中所含溶質(zhì)的濃度低于溶液中所含溶質(zhì)的濃度低于共熔濃度時(shí)，則冷卻結(jié)果表現(xiàn)為溶劑（水）變成晶體（冰共熔濃度時(shí)，則冷卻結(jié)果表現(xiàn)為溶劑（水）變成晶體（冰晶）析出晶）析出。

22、與此同時(shí)，剩下溶液中的溶質(zhì)濃度就大大提高。冷凍濃縮和結(jié)晶是相反的過程冷凍濃縮和結(jié)晶是相反的過程X（濃度）T（溫度）（溫度）DEFCABX1X2A1冷凍濃縮過程示意圖（冷凍濃縮過程示意圖（P241P241）設(shè)原溶液的總量為M，濃縮后，冰晶的量為G，濃縮液為P，根據(jù)溶質(zhì)的物料平衡，有：12()GP XPX 冰晶量與濃縮液量之比等于線段BC與線段FC的長(zhǎng)度之比，這個(gè)關(guān)系也即是化學(xué)工程中精餾分離的“杠桿法則杠桿法則”。MX1=PX2 當(dāng)溶液的濃度大于低共熔點(diǎn)濃度時(shí)，如果冷卻溶液，則當(dāng)溶液的濃度大于低共熔點(diǎn)濃度時(shí)，如果冷卻溶液，則析出的是溶質(zhì)，使溶液變稀，即所謂傳統(tǒng)的結(jié)晶操作。由析出的是溶質(zhì)，使溶液變稀

23、，即所謂傳統(tǒng)的結(jié)晶操作。由此可見冷凍濃縮工藝和結(jié)晶工藝是相反的過程。要應(yīng)用冷此可見冷凍濃縮工藝和結(jié)晶工藝是相反的過程。要應(yīng)用冷凍濃縮，溶液必須較稀，其濃度要小于低共熔濃度凍濃縮，溶液必須較稀，其濃度要小于低共熔濃度 。 理論上，冷凍濃縮過程可以進(jìn)行到低共熔點(diǎn)。但實(shí)際上，理論上，冷凍濃縮過程可以進(jìn)行到低共熔點(diǎn)。但實(shí)際上，大多數(shù)食品沒有明顯的低共熔點(diǎn)，而且在此點(diǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到之大多數(shù)食品沒有明顯的低共熔點(diǎn)，而且在此點(diǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到之前，濃溶液的黏已經(jīng)很高，其體積與冰晶相比甚小，就不前，濃溶液的黏已經(jīng)很高，其體積與冰晶相比甚小，就不可能很好地將冰晶與濃溶液分離可能很好地將冰晶與濃溶液分離。由此可見，冷凍濃縮在。

24、由此可見，冷凍濃縮在實(shí)際應(yīng)用中也是有一定限度的。實(shí)際應(yīng)用中也是有一定限度的。二、冷凍濃縮的分類二、冷凍濃縮的分類 工業(yè)上冷凍濃縮過程根據(jù)結(jié)晶方式的不同，分為兩種形式：1.在攪拌的冰晶懸浮液中進(jìn)行，稱為為懸浮結(jié)晶濃縮法；2.在管式、板式以及帶式設(shè)備中進(jìn)行的，稱為漸進(jìn)冷凍濃縮法。 懸浮結(jié)晶濃縮法懸浮結(jié)晶濃縮法 懸浮結(jié)晶濃縮法又稱為分散結(jié)晶濃縮法。其特征為無數(shù)自由懸浮于母液中的小冰晶，在帶攪拌的低溫罐中長(zhǎng)大并不斷排除，使母液濃度增加而實(shí)現(xiàn)濃縮。 攪 拌 器進(jìn) 料冷 媒再 結(jié) 晶 罐 （ 成 熟 罐 ）循 環(huán) 泵 冰 融 解 液洗 凈 塔 活 塞過 濾 器濃 縮 液刮 板 式 熱 交 換 器循 環(huán) 泵

25、 原 料 罐GrencoGrenco冷凍濃縮設(shè)備流程圖冷凍濃縮設(shè)備流程圖生成生成冰晶冰晶小冰晶溶小冰晶溶化，大冰化，大冰晶成長(zhǎng)晶成長(zhǎng)排除冰排除冰晶，回晶，回收濃縮收濃縮液液 這一工藝應(yīng)用到速溶咖啡、速溶茶、濃縮橙汁等的生這一工藝應(yīng)用到速溶咖啡、速溶茶、濃縮橙汁等的生產(chǎn)，得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品。但由于投資大，成本高，引產(chǎn)，得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品。但由于投資大，成本高，引用該系統(tǒng)進(jìn)行冷凍濃縮加工的廠家很有限。用該系統(tǒng)進(jìn)行冷凍濃縮加工的廠家很有限。 漸進(jìn)結(jié)晶濃縮法漸進(jìn)結(jié)晶濃縮法 又稱層狀結(jié)晶凍結(jié)濃縮法或標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)濃縮法，是一種沿著冷卻面形成并成長(zhǎng)為整體冰晶的冷凍濃縮方法。特點(diǎn)為： 形成一整體冰晶，液固界面小，

26、使得母液與冰晶的分離變得容易； 裝置簡(jiǎn)單，控制操作方便。良好設(shè)計(jì)將會(huì)顯著降低冷凍濃縮成本。 影響因素：影響因素： 液相的攪拌速度 冰晶的前沿移動(dòng)速度和凍結(jié)初期的過冷卻度 冷凍濃縮初期冰核的形成對(duì)環(huán)境條件、溶液物性等有較強(qiáng)的依賴性，因此初期過冷度極不穩(wěn)定。(1)(2)(3)(5)(4)(6)(7)帶攪拌的漸進(jìn)冷帶攪拌的漸進(jìn)冷凍濃縮裝置圖凍濃縮裝置圖1 1原液；原液；2 2過濾器；過濾器；3 3攪拌器；攪拌器；4 4冷卻機(jī)；冷卻機(jī)；5 5冷煤；冷煤； 6 6冰層；冰層； 7 7流出液流出液(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)降膜式漸進(jìn)冷凍濃縮裝置降膜式漸進(jìn)冷凍濃縮裝置圖圖1冷卻機(jī)；冷卻

27、機(jī)； 2冰層；冰層； 3冷煤；冷煤； 4循環(huán)泵；循環(huán)泵；5流出液；流出液； 6貯罐；貯罐；7過濾器；過濾器； 8原液原液三、冷凍濃縮的應(yīng)用三、冷凍濃縮的應(yīng)用 冷凍濃縮由于在應(yīng)用過程中不使物料受熱，因此所得制品熱敏冷凍濃縮由于在應(yīng)用過程中不使物料受熱，因此所得制品熱敏性物質(zhì)不被破壞，生物活性幾乎不受影響并在色、香味方面均得性物質(zhì)不被破壞，生物活性幾乎不受影響并在色、香味方面均得到最大限度地保留，顯著地增進(jìn)了產(chǎn)品品質(zhì)。但由于濃縮極限的到最大限度地保留，顯著地增進(jìn)了產(chǎn)品品質(zhì)。但由于濃縮極限的限制及操作成本較高的缺陷，使得其應(yīng)用受到很大的限制。目前限制及操作成本較高的缺陷，使得其應(yīng)用受到很大的限制。目

28、前主要應(yīng)用于高檔果汁、高檔飲品、生物制品以及調(diào)味品等的濃縮，主要應(yīng)用于高檔果汁、高檔飲品、生物制品以及調(diào)味品等的濃縮，濃縮的制品或直接作為產(chǎn)品，或作為冷凍干燥的半成品。濃縮的制品或直接作為產(chǎn)品，或作為冷凍干燥的半成品。應(yīng)用分為：應(yīng)用分為： 單級(jí)冷凍濃縮單級(jí)冷凍濃縮 多級(jí)冷凍濃縮多級(jí)冷凍濃縮單級(jí)冷凍濃縮裝置系統(tǒng)示意圖單級(jí)冷凍濃縮裝置系統(tǒng)示意圖1旋轉(zhuǎn)刮板式結(jié)晶器； 2混合罐； 3洗滌塔；4融冰裝置； 5貯罐； 6泵產(chǎn)品產(chǎn)品制冷制冷劑劑蒸汽蒸汽水水原料原料12345661234567891011121314151617進(jìn)料產(chǎn)品冰二級(jí)冷凍濃縮裝置流程示意圖二級(jí)冷凍濃縮裝置流程示意圖1、7貯料罐； 2、

29、8結(jié)晶器； 3、9分離機(jī)；4、10、11、12泵； 6進(jìn)料管； 14熔冰水進(jìn)入管；15、17管路； 16濃縮液分支管（自（自 學(xué)）學(xué)）鹽水純水半透膜（c）鹽水純水半透膜（a）滲透與反滲透原理圖滲透與反滲透原理圖（a）滲透； （b）滲透平衡； （c）反滲透純水h滲透壓半透膜（b）鹽水進(jìn)料液透過液膜P超濾原理圖超濾原理圖電滲析原理圖電滲析原理圖電極沖洗液電極沖洗液稀溶液濃縮液陽極陰極ACCACA一、溶解度和溶液中的相平衡一、溶解度和溶液中的相平衡什么是溶解度？什么是溶解度？ 物質(zhì)的溶解度與它的化學(xué)性質(zhì)、溶劑的性質(zhì)及溫度等物質(zhì)的溶解度與它的化學(xué)性質(zhì)、溶劑的性質(zhì)及溫度等有關(guān)。一定物質(zhì)在一定溶劑中溶劑中

30、的溶解度主要隨溫有關(guān)。一定物質(zhì)在一定溶劑中溶劑中的溶解度主要隨溫度而變化，在一般情況下，壓力的影響可不予考慮。度而變化，在一般情況下，壓力的影響可不予考慮。 物質(zhì)的溶解度特征既表現(xiàn)為溶解度的大小，物質(zhì)的溶解度特征既表現(xiàn)為溶解度的大小，也表現(xiàn)為溶解度隨溫度的變化。也表現(xiàn)為溶解度隨溫度的變化。 有些的溶解度隨溫度的升高而迅速增加，如有些的溶解度隨溫度的升高而迅速增加，如NaAcNaAc、CuSOCuSO4 45H5H2 2O O、NaCONaCO3 310H10H2 2O O、NaSONaSO4 410H10H2 2O O、NaHNaH2 2POPO4 412H2O12H2O、KClO4KClO4

31、、C C5 5H H8 8O O4 4NNaHNNaH2 2O O（谷氨酸鈉）、（谷氨酸鈉）、C C6 6H H8 8O O7 7HH2 2O O（檸檬酸）等在水中的溶解就屬于這種類型。（檸檬酸）等在水中的溶解就屬于這種類型。 有些物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高，以中等速率增大，如有些物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高，以中等速率增大，如KClKCl、NaNONaNO3 3、NaHCONaHCO3 3、FeSOFeSO4 47H7H2 2O O和多數(shù)氨基酸等。和多數(shù)氨基酸等。 還要一類物質(zhì)，如還要一類物質(zhì)，如NaClNaCl等，隨溫度的升高其溶解度只是微小的等，隨溫度的升高其溶解度只是微小的增加。增加。上述這

32、些物質(zhì)具有正溶解度特點(diǎn)，它們的溶解過程常需吸上述這些物質(zhì)具有正溶解度特點(diǎn)，它們的溶解過程常需吸收熱量，結(jié)晶是放熱過程。收熱量，結(jié)晶是放熱過程。 另有一類物質(zhì)，其溶解度隨溫度的升高反而降低，即具有逆溶另有一類物質(zhì)，其溶解度隨溫度的升高反而降低，即具有逆溶解度，如解度，如CaSOCaSO4 4、NaNa2 2SOSO4 4在水中的溶解。在水中的溶解。它們?cè)谌芙膺^程常放出它們?cè)谌芙膺^程常放出熱量，即放熱溶解過程。熱量，即放熱溶解過程。 許多物質(zhì)的溶解曲線是連續(xù)的，中間沒有斷折，但也有些可許多物質(zhì)的溶解曲線是連續(xù)的，中間沒有斷折，但也有些可形成水合物晶體的物質(zhì)，它們的溶解度曲線有斷折點(diǎn)（變態(tài)形成水合物

33、晶體的物質(zhì)，它們的溶解度曲線有斷折點(diǎn)（變態(tài)點(diǎn)）。例如低于點(diǎn)）。例如低于32.432.4時(shí)，從硫酸鈉水溶液中結(jié)晶出來的固體時(shí)，從硫酸鈉水溶液中結(jié)晶出來的固體是是NaSONaSO4 410H10H2 2O O，而在這個(gè)溫度以上結(jié)晶出來的固體卻是無，而在這個(gè)溫度以上結(jié)晶出來的固體卻是無水水NaNa2 2SOSO4 4，這兩種固體的溶解度曲線在轉(zhuǎn)變點(diǎn)，這兩種固體的溶解度曲線在轉(zhuǎn)變點(diǎn)32.432.4處相交。處相交。檸檬酸的轉(zhuǎn)折溫度為檸檬酸的轉(zhuǎn)折溫度為36.636.6，在此溫度之上結(jié)晶時(shí)，檸檬酸不，在此溫度之上結(jié)晶時(shí)，檸檬酸不帶結(jié)晶水，在此溫度下結(jié)晶時(shí)，則帶有一個(gè)分子的結(jié)晶水。一帶結(jié)晶水，在此溫度下結(jié)晶時(shí)

34、，則帶有一個(gè)分子的結(jié)晶水。一種物質(zhì)可以有幾個(gè)這樣的變態(tài)點(diǎn)。例如，按溫度的不同，硫酸種物質(zhì)可以有幾個(gè)這樣的變態(tài)點(diǎn)。例如，按溫度的不同，硫酸亞鐵可以從水溶液中以亞鐵可以從水溶液中以3 3種不同形式結(jié)晶出來：種不同形式結(jié)晶出來：5656以下時(shí)是以下時(shí)是FeSOFeSO4 47H7H2 2O O；56566464之間時(shí)是之間時(shí)是FeSOFeSO4 44H2O4H2O；而；而6464以上以上則是則是FeSOFeSO4 4HH2 2O O。 物質(zhì)的溶解度特征，是決定物質(zhì)結(jié)晶方法的理論依據(jù)。根據(jù)物質(zhì)的溶解度特征，是決定物質(zhì)結(jié)晶方法的理論依據(jù)。根據(jù)在不同溫度下的溶解度數(shù)據(jù)還可算出結(jié)晶的理論產(chǎn)量。在不同溫度下的

35、溶解度數(shù)據(jù)還可算出結(jié)晶的理論產(chǎn)量。 很多食品成分，如有機(jī)酸類、氨基酸和糖等，在水中均可形成溶很多食品成分，如有機(jī)酸類、氨基酸和糖等，在水中均可形成溶液，它們同樣具有與鹽所類似的溶解度曲線。多數(shù)糖、酸類的溶解液，它們同樣具有與鹽所類似的溶解度曲線。多數(shù)糖、酸類的溶解度隨溫度的升高而增大。但對(duì)溫度的敏感性范圍不同。各種物質(zhì)的度隨溫度的升高而增大。但對(duì)溫度的敏感性范圍不同。各種物質(zhì)的溶解度數(shù)據(jù)可以在手冊(cè)及專著中查得。由于物質(zhì)的溶解度常受到溶溶解度數(shù)據(jù)可以在手冊(cè)及專著中查得。由于物質(zhì)的溶解度常受到溶液液pHpH值的影響，此外可溶性雜質(zhì)的存在也會(huì)降低主要組分的溶解度，值的影響，此外可溶性雜質(zhì)的存在也會(huì)降

36、低主要組分的溶解度，因此不同物質(zhì)的實(shí)際溶解度應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。因此不同物質(zhì)的實(shí)際溶解度應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2364.397 0.0730.0029.0353sttt149.9300.530st2259.8730.2210.0003stt檸檬酸在水中的溶解度經(jīng)驗(yàn)公式：檸檬酸在水中的溶解度經(jīng)驗(yàn)公式： 含結(jié)晶水含結(jié)晶水 （t36.6） 許多有機(jī)物晶體都有其溶解度與溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，許多有機(jī)物晶體都有其溶解度與溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，蔗糖在水中的溶解度（蔗糖在水中的溶解度（s）與溫度（）與溫度（t）的關(guān)系可用下式表示：）的關(guān)系可用下式表示：二、過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系二、過飽和度與結(jié)晶的關(guān)系不穩(wěn)區(qū)不穩(wěn)區(qū)介穩(wěn)區(qū)介穩(wěn)區(qū)穩(wěn)

37、定區(qū)穩(wěn)定區(qū)CADBHEGGFFF”G”溫度溫度濃濃度度溶液的過飽和度狀態(tài)與結(jié)晶關(guān)系溶液的過飽和度狀態(tài)與結(jié)晶關(guān)系A(chǔ)BAB為溶解度曲線為溶解度曲線其下面為不飽和溶液穩(wěn)定期其下面為不飽和溶液穩(wěn)定期其上面為飽和溶液區(qū)。但還存在一其上面為飽和溶液區(qū)。但還存在一條曲線條曲線GGGG，將此區(qū)域分為介穩(wěn)，將此區(qū)域分為介穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。E EF FG GH H 為降溫晶體析出過程；為降溫晶體析出過程；E EFFG G 穩(wěn)定蒸發(fā)晶體析出過程。穩(wěn)定蒸發(fā)晶體析出過程。 在介穩(wěn)區(qū)不會(huì)有晶核產(chǎn)生核晶體析出，但在此區(qū)域的過飽和溶液中在介穩(wěn)區(qū)不會(huì)有晶核產(chǎn)生核晶體析出，但在此區(qū)域的過飽和溶液中加入少量溶質(zhì)晶體小顆

38、粒，則這些小晶粒會(huì)長(zhǎng)大，直至溶液到飽和平加入少量溶質(zhì)晶體小顆粒，則這些小晶粒會(huì)長(zhǎng)大，直至溶液到飽和平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)。三、晶核的形成三、晶核的形成 晶核是過飽和溶液中新生成（析出）的微小晶體粒子，是晶體生長(zhǎng)晶核是過飽和溶液中新生成（析出）的微小晶體粒子，是晶體生長(zhǎng)必不可缺少的核心。晶核可以由溶質(zhì)的分子、離子形成，這些粒子相必不可缺少的核心。晶核可以由溶質(zhì)的分子、離子形成，這些粒子相互聚合，形成線體、晶胚，以至成為一定粒度（如蔗糖晶核半徑達(dá)到互聚合，形成線體、晶胚，以至成為一定粒度（如蔗糖晶核半徑達(dá)到1.9nm1.9nm以上）的晶核。這個(gè)過程稱為成核，工業(yè)上稱為起晶。以上）的晶核。這個(gè)過程稱為成核

39、，工業(yè)上稱為起晶。 自然起晶法自然起晶法 刺激起晶法刺激起晶法 晶種起晶法晶種起晶法 結(jié)晶罐結(jié)晶罐四、影響晶體生長(zhǎng)的因素四、影響晶體生長(zhǎng)的因素 晶體生長(zhǎng)速率可受到擴(kuò)散控制，有時(shí)是受表面反應(yīng)控制。晶體晶體生長(zhǎng)速率可受到擴(kuò)散控制，有時(shí)是受表面反應(yīng)控制。晶體生長(zhǎng)速率既可表示晶體質(zhì)量隨時(shí)間的變化（質(zhì)量速率）。也有用生長(zhǎng)速率既可表示晶體質(zhì)量隨時(shí)間的變化（質(zhì)量速率）。也有用各晶面的生長(zhǎng)線速率表示，但它們都與溶液的過飽和度、溫度、各晶面的生長(zhǎng)線速率表示，但它們都與溶液的過飽和度、溫度、壓力、液相的攪拌強(qiáng)度和特性、各種場(chǎng)的作用、雜質(zhì)的存在等有壓力、液相的攪拌強(qiáng)度和特性、各種場(chǎng)的作用、雜質(zhì)的存在等有關(guān)。關(guān)。 1

40、.1.過飽和度過飽和度 溶液的過飽和度（過飽和系數(shù)）或過冷度對(duì)晶體生長(zhǎng)速率起著決定溶液的過飽和度（過飽和系數(shù)）或過冷度對(duì)晶體生長(zhǎng)速率起著決定性的作用。晶體長(zhǎng)大的推動(dòng)力是晶體表面液膜的濃度差，過飽和度增性的作用。晶體長(zhǎng)大的推動(dòng)力是晶體表面液膜的濃度差，過飽和度增大，則可加大濃度差和結(jié)晶推動(dòng)力，提高結(jié)晶速率。但過高的過飽和大，則可加大濃度差和結(jié)晶推動(dòng)力，提高結(jié)晶速率。但過高的過飽和度會(huì)使料液黏度增加，反而會(huì)使結(jié)晶速率下降，使結(jié)晶過程操作變得度會(huì)使料液黏度增加，反而會(huì)使結(jié)晶速率下降，使結(jié)晶過程操作變得困難。困難。 2.2.溫度溫度 溫度不僅影響粒子的擴(kuò)散速率和相界面上的反應(yīng)速率，還影響溶液溫度不僅影響粒子的擴(kuò)散速率和相界面上的反應(yīng)速率，還影響溶液的黏度、溶質(zhì)的溶解度及過冷度、相鄰界面上的比能等物化特性。對(duì)的黏度、溶質(zhì)的溶解度及過冷度、相鄰界面上的比能等物化特性。對(duì)同一物質(zhì)，結(jié)晶溫度對(duì)晶體成長(zhǎng)的兩個(gè)過程影響較大。在較高溫度下