冷凍濃縮的基本原理

冷凍濃縮的根本原理精選ppt1234目錄前言冷凍濃縮根本原理冷凍濃縮過程與控制冷凍濃縮系統(tǒng)工作原理前言--開展概況20世紀(jì)70年代，荷蘭Eindhoven大學(xué)Thijssen等人成功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)。之后，Shirai等為降低本錢在采用懸浮結(jié)晶冷凍法時將小冰晶凝聚成為大冰晶來減小單位體積冰晶的外表積。他們還將此方法用于海水淡化及燒酒廢液處理等方面。MarinoRodriguez等比照研究了反滲透法和冷凍濃縮法在去除廢水中戊酸的應(yīng)用，兩種操作方法的經(jīng)濟(jì)運(yùn)算結(jié)果說明冷凍濃縮法的能耗雖是反滲透的五倍，但卻正好折中了反滲透中所用膜的代價。前言--開展概況F.A.Ramos將冷凍濃縮技術(shù)應(yīng)用于一種生長于安第斯山脈的漿果，發(fā)現(xiàn)此技術(shù)并未改變其果肉的色澤及PH值，但明顯降低了揮發(fā)性物質(zhì)的損失量，且很好地保存了漿果獨(dú)特的香味。前言--概念與工藝流程冷凍濃縮：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。冷凍濃縮工藝流程：原料液冷卻結(jié)晶別離冰晶濃縮液前言——特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①低溫操作，適用于熱敏性物料的濃縮；②物料水分的除去不是以加熱蒸發(fā)的方法，而是靠從溶液到冰晶的相際傳遞，因此可防止因加熱造成的芳香性揮發(fā)物的損失。缺點(diǎn)：①物料濃縮比較低，最終濃度不超過其低共熔濃度；②晶液的別離技術(shù)要求高，溶液的黏度越大，別離越困難，冰晶的夾帶損失也越大；③成品中的微生物活性未能受到抑制，加工后仍需采用加熱等后處理或需要冷凍貯藏；④濃縮過程中會造成不可防止的濃縮物損失，生產(chǎn)本錢高。冷凍濃縮的根本原理冷凍濃縮原理：溶液受冷溫度下降，在冰點(diǎn)以前其濃度不變；到達(dá)溶液冰點(diǎn)后，溶液中一局部溶劑因?yàn)槿芤壕Ш说拇嬖诙Y(jié)晶析出，剩下溶液濃度將不斷上升；繼續(xù)冷卻溶液，直到到達(dá)溶液的最低共溶點(diǎn)，溶液中溶劑冰晶大量析出；此時在理論上，溶液中的溶劑到達(dá)最大凍結(jié)量，濃縮液濃度到達(dá)最大值。低溫冷卻〔稀〕溶液溶液冰點(diǎn)〔冰核〕局部溶劑結(jié)晶低共溶點(diǎn)溶劑冰晶+濃縮液溫度下降，濃度不變?nèi)軇┎粩嘟Y(jié)晶析出濃度下降，直到平衡冷凍濃縮過程中水溶液與冰之間的固液平衡關(guān)系如圖1所示：冷凍濃縮的根本原理圖中曲線DE為溶液組成和冰點(diǎn)關(guān)系的凍結(jié)曲線，凍結(jié)曲線上側(cè)為溶液狀態(tài)，下側(cè)為冰和溶液的共存狀態(tài)。A點(diǎn)為溶液X的冰點(diǎn)，D點(diǎn)為純水的冰點(diǎn)，TA明顯低于T0，此即溶液的冰點(diǎn)下降，以△Ti表示，冰點(diǎn)下降現(xiàn)象的本質(zhì)是溶液中水分化學(xué)勢小于純水的化學(xué)勢所致。冷凍濃縮的根本原理冰點(diǎn)下降計算式：〔1〕T0：純水的冰點(diǎn)，K；R：摩爾氣體常數(shù)，8.314kJ/kmol/k；X：溶液濃度，kmol/m3；△S:水轉(zhuǎn)化為冰時的熵變，J/K。上式說明：冰點(diǎn)下降與溶液濃度成近似正比關(guān)系。圖1中B點(diǎn)代表原溶液X的濃縮液，其溫度為TB，濃度為XB，此時溶液為過冷溶液，溫差〔TA－TB〕為溶液的過冷度。設(shè)原溶液X的總量為M，B點(diǎn)析出冰晶量為G，濃縮液量為P，冷凍濃縮的根本原理那么根據(jù)溶質(zhì)的物料衡算應(yīng)有：即〔4〕式〔4〕表示，冰晶量與濃縮量之比等于線段與的長度之比，此關(guān)系式稱為冷凍濃縮操作中的杠桿法那么。根據(jù)此關(guān)系式可以計算冷凍操作中的冰晶量和濃縮液量?！?〕〔3〕冷凍濃縮的根本原理圖2所示為咖啡、蔗糖、蘋果汁等流體食品的凍結(jié)曲線，利用該曲線可以進(jìn)行冷凍濃縮計算。例：濃度為10％的50kg蘋果汁冷卻到﹣10℃,查冷凍曲線，該溫度在平衡條件下對應(yīng)的濃縮液濃度為45％，根據(jù)杠桿法那么可求得冰晶析出量：設(shè)冰晶量為G，那么濃縮液量P=50－G〔G+〔50-G〕〕10％=〔50-G〕·45％G=38.89(kg〕所以，溶液冷卻到-10°C將有38.89kg冰晶析出。圖2某些流體食品的凍結(jié)曲線1-咖啡；2-蔗糖；3-蘋果汁；4-葡萄汁；5-果糖冰晶體洗滌冰晶生成冰晶體別離13冷凍濃縮過程與控制2冷凍濃縮結(jié)晶操作時要求冰晶有適當(dāng)?shù)牧６龋w粒度過大，結(jié)晶慢，操作費(fèi)用增加；冰晶過小，造成別離困難，溶質(zhì)夾帶較多，因此生產(chǎn)過程中應(yīng)該確定一個最正確晶體粒度，既能使結(jié)晶和別離本錢降低，又能使溶質(zhì)損失減小。影響冰晶大小的主要因素有冰晶的生成方式及冰晶生成速率兩方面。一般冷凍過程的冰晶生成方式有兩種:層狀凍結(jié)和懸浮凍結(jié)。冰晶生成也稱規(guī)那么凍結(jié)，是一種在管式、板式以及轉(zhuǎn)鼓式、帶式設(shè)備中進(jìn)行的單向凍結(jié)。其晶層依次沉積在先前由同一溶液所形成的晶層之上，冰晶形狀一般為針狀或棒狀，帶有垂直于冷卻面的不規(guī)那么斷面。又稱分散結(jié)晶法，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大并不斷排除，從而使母液濃度增加而實(shí)現(xiàn)濃縮。層狀凍結(jié)懸浮凍結(jié)冰晶生成--凍結(jié)方式冰晶生成—層狀凍結(jié)層狀凍結(jié)即層狀結(jié)晶法，又稱漸進(jìn)冷凍法或標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)法，此方法早已被用做微量成分的濃縮或純化。如圖3所示：特點(diǎn)：結(jié)晶過程形成的冰晶為一個整體，固液界面小，使得母液與冰晶更容易別離；裝置簡單，控制方便，合理運(yùn)用將會大幅降低冷凍濃縮本錢。圖3回轉(zhuǎn)式漸進(jìn)冷凍濃縮裝置冰晶生成—層狀凍結(jié)層狀凍結(jié)方式對冰晶粒度的影響：①隨著冷凍濃縮的進(jìn)行，溶液濃度逐漸增加，晶尖處溶液的過冷度逐漸降低，凍結(jié)速率或晶尖成長速率也隨之降低，晶體直徑逐漸增大；②在溶液濃度不變的情況下，晶體平均直徑與水分的分子擴(kuò)散系數(shù)及溶液的黏度有關(guān)。水分?jǐn)U散系數(shù)愈小，黏度越大，那么平均直徑愈小；③在平行的晶體之間存在著液層，其厚度與濃度有關(guān)。溶液濃度低于20%時，濃度增加，厚度增加。濃度高于20%時，厚度保持不變；④水分凍結(jié)時，具有排斥溶質(zhì)析出，保持冰晶純潔的現(xiàn)象，稱之為溶質(zhì)脫除作用。這種脫除作用只有在極低的濃度下〔例如1%〕才明顯發(fā)生；⑤只有在極緩慢的凍結(jié)條件下，例如晶體成長速度為每天1cm或小于1cm的條件下，才有可能產(chǎn)生溶質(zhì)脫除的現(xiàn)象。冰晶生成--層狀凍結(jié)冰晶生成—懸浮凍結(jié)懸浮結(jié)晶法常應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中，在速溶咖啡、速溶茶、濃縮橙汁等的生產(chǎn)中，得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品。特點(diǎn)：結(jié)晶過程為分散結(jié)晶，形成大量冰晶顆粒，單位體積冰晶外表積很大，因此固液界面大，難別離；但能夠迅速形成潔凈的冰晶，且濃縮終點(diǎn)較大。以此為根底制造的Grenco冷凍濃縮設(shè)備是這類設(shè)備中的代表，如圖4所示：冰晶生成—懸浮凍結(jié)圖5

Grenco冷凍濃縮系統(tǒng)示意圖冰晶生成—懸浮凍結(jié)懸浮凍結(jié)方式對冰晶粒度的影響：①提高溶液中溶質(zhì)的濃度，冰晶體的成長速率降低；如圖6-1所示：②在溶液過冷度的低值范圍內(nèi)，成長速率與溶液主體過冷度成正比；③當(dāng)晶體大于50μm時，冰晶成長速率不隨晶體的大小而改變。圖6-1葡萄糖溶液凍結(jié)時冰晶的生長冰晶生成--懸浮凍結(jié)④連續(xù)攪拌結(jié)晶槽生產(chǎn)的晶體，當(dāng)溶液主體過冷度和溶質(zhì)濃度不變時，那么平均晶體粒度與晶體在結(jié)晶槽內(nèi)的停留時間成正比；如圖6-2所示:⑤在連續(xù)攪拌結(jié)晶槽內(nèi)，保持一定的結(jié)晶生產(chǎn)能力，但在晶體顆粒含量不同的情況下，晶體平均直徑與晶體在器內(nèi)的平均停留時間的關(guān)系不同。圖6-2葡萄糖溶液凍結(jié)時冰晶的生長冰晶生成—冰晶生成速率冰晶體生成速率與凍結(jié)速率、攪拌速度、溶液濃度和食品成分有關(guān)。凍結(jié)速率對冰晶粒度的影響：凍結(jié)速率快，易形成局部過冷，形成較多的晶核，冰晶體積細(xì)小，溶質(zhì)夾帶多。攪拌速度對冰晶粒度的影響：在層狀凍結(jié)中，當(dāng)凍結(jié)面溫度較低時，靠近凍結(jié)面的液體易出現(xiàn)局部過冷，產(chǎn)生細(xì)小的冰晶，形成的凍結(jié)層溶質(zhì)脫除率很低。在懸浮凍結(jié)中也存在局部過冷現(xiàn)象，在其凍結(jié)過程中，晶核形成速率與溶冰晶生成—冰晶生成速率質(zhì)濃度成正比，并與溶液主體過冷度的平方成正比。但由于結(jié)晶熱一般無法均勻地從整個懸浮液中除去，所以總存在著局部的點(diǎn)的過冷度大于溶液主體的過冷度；從而在這些局部冷點(diǎn)處，晶體形成就比溶液主體快得多，而晶體成長就要慢一些。提高攪拌速度，可使溫度均勻化，減少局部冷點(diǎn)的數(shù)目，對控制晶核過多形成有利；同時適當(dāng)?shù)臄嚢栌欣谥黧w溶液中的水分轉(zhuǎn)移到冰晶外表進(jìn)行晶析，使形成的冰晶體更大；此外還可促使冰晶附近溶液中的溶質(zhì)向溶液主體擴(kuò)散，減少溶質(zhì)夾帶。冰晶生成—冰晶生成速率溶液濃度對冰晶粒度的影響：濃度較高的溶液起始凍結(jié)點(diǎn)較低，凍結(jié)時不易出現(xiàn)局部過冷現(xiàn)象，可形成粒度適當(dāng)?shù)谋?。物料成分對冰晶粒度的影響：成分不同的物料具有不同的?dǎo)熱性，導(dǎo)熱性越強(qiáng)，凍結(jié)速度越快，越不易出現(xiàn)局部過冷的現(xiàn)象，冰晶粒度也適當(dāng)。冰晶體別離別離效果：決定了冷凍濃縮應(yīng)用的成功與否；1、別離的原理─懸浮液的過濾原理冰晶+濃縮液過濾床〔冰床〕濾液〔濃縮液〕2、別離的操作方式——間歇式和連續(xù)式；3、別離設(shè)備①壓濾機(jī)：冰晶易被壓實(shí)，后續(xù)的洗滌難以進(jìn)行，易造成溶質(zhì)損失，只適用于濃縮比為1時的冷凍濃縮；②過濾式離心機(jī)：別離效果較壓濾機(jī)好?？捎孟礈焖虮诨髞硐幢w別離滌濾餅，但易造成濃縮液的稀釋，此外濃縮液旋轉(zhuǎn)甩出時與空氣充分接觸易造成揮發(fā)性芳香物質(zhì)的損失和氧敏感物料的氧化變質(zhì)。③洗滌塔：洗滌塔內(nèi)別離較為完全，而且沒有稀釋現(xiàn)象，同時因?yàn)椴僮鲿r全部密閉且無頂部空隙，可防止芳香物質(zhì)的損失。圖7-2過濾式離心機(jī)圖7-1壓濾機(jī)冰晶體別離4、別離操作的過濾速度：通常濃縮液透過冰床的流動為層流，過濾速度的計算式為：V—濾液體積，m3；t—過濾時間，s；μ—濾液黏度，Pa·s；L—冰床厚度，m；K—冰床透過率；ε0—冰床孔隙率；dp—冰晶平均粒徑，m；A—冰床過濾面積，m2；ΔP—冰床上、下游壓力差，Pa由上式可以看出，在別離操作中，生產(chǎn)能力與濃縮液的黏度成反比，與冰晶粒度的平方成正比。〔5〕〔6〕5、別離過程的物料衡算：冷凍濃縮設(shè)備F料液量，BF濃度總物料衡算F=P+GP–濃縮液量BP–濃度溶質(zhì)物料衡算FBF=PBP+GβBPG–冰晶量β–夾帶濃縮液量/單位質(zhì)量冰晶冰晶體別離因制品中溶質(zhì)質(zhì)量PBP遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夾帶損失的溶質(zhì)量GβBP，

故又有：FBF≈PBP或P/F≈BF/PB溶質(zhì)損失率?是指冰晶夾帶損失的溶質(zhì)質(zhì)量與原料液中溶質(zhì)量之比，故：由上式可知：損失率?隨濃縮比〔BP/BF〕增大而增大，也即隨著濃縮比增大，別離的不完全性大大增加。冰晶體別離冰晶體洗滌在冰晶形成過程中，存在溶質(zhì)夾帶現(xiàn)象。在實(shí)際冷凍濃縮中，夾帶主要由冰晶外表吸附造成，溶質(zhì)主要存在于冰晶表層。為防止損失，可采用稀溶液、冰晶融化后的水及清水對冰晶洗滌，從而減少溶質(zhì)損失。冰晶體的洗滌在洗滌塔內(nèi)進(jìn)行，按塔中冰晶沿塔移動的推動力不同，洗滌塔可分以下三種：浮床式、螺旋式和活塞推動式。浮床式洗滌塔在浮床式洗滌塔中，冰晶與液體作逆向運(yùn)動，其推動力是晶體和液體兩相的密度差。其結(jié)構(gòu)如圖5所示：圖5浮床式洗滌塔工作原理:從結(jié)晶器出來的晶體漿料從塔底進(jìn)入，因冰晶密度比濃縮液小，故冰晶逐漸上浮到塔頂，而濃縮液那么從塔底經(jīng)過濾器排出。塔頂設(shè)有融化器使局部冰晶溶解，融化后的水分即運(yùn)行下流，與上浮冰晶逆流接觸、洗去冰晶間濃縮液。這樣晶體就沿著液相溶質(zhì)濃度逐漸降低的方向移動，因而晶體隨浮隨洗，殘留溶質(zhì)越來越少。螺旋式洗滌塔螺旋式洗滌塔是以螺旋推送為兩相相對運(yùn)動的推動力。工作原理：如圖6所示，晶體懸浮液進(jìn)入兩同心圓筒的環(huán)隙內(nèi)部，在此空間內(nèi)有螺旋在旋轉(zhuǎn)，螺旋具有棱鏡狀斷面，除迫使冰晶沿塔體移動外，還有攪動晶體的作用。

圖6螺旋式洗滌塔活塞推動式洗滌塔活塞推動式洗滌塔是以活塞的往復(fù)運(yùn)動迫使冰床移動為推動力。如圖7所示：圖7活塞式洗滌塔工作原理：晶體懸浮液從塔的下端進(jìn)入，由于擠壓作用使晶體壓緊成為結(jié)實(shí)而多孔的冰床，利用活塞往復(fù)運(yùn)動，冰床被迫移向塔的頂端，同時與洗滌液逆流接觸，冰晶間濃縮液經(jīng)過濾器離塔，到達(dá)洗滌目的。冷凍濃縮系統(tǒng)工作原理冷凍濃縮系統(tǒng)主要包括刮板式結(jié)晶器、再結(jié)晶罐、洗滌塔、融冰裝置、原料罐、泵等。示意圖如圖8所示。工作原理：料液儲存在原料罐中，操作時由泵送入旋轉(zhuǎn)刮板式結(jié)晶器，在結(jié)晶器內(nèi)冷卻至冰晶出現(xiàn)并到達(dá)要求后進(jìn)入帶攪拌器的再結(jié)晶罐，冰晶可繼續(xù)生長，然后大局部濃縮液作為成品排出，局部濃縮液與來自原料罐的料液混合后再進(jìn)