食品分離技術(shù).ppt

1、,食品技術(shù)原理 第九章 食品分離技術(shù),第一節(jié) 物理與機械分離-結(jié)晶,一、結(jié)晶的基本概念 1、結(jié)晶定義：凡是從勻相中形成固體顆粒者，統(tǒng)稱為結(jié)晶 結(jié)晶是制備純品的有效方法，由于晶體外觀好，易于被消費者喜愛，一般生產(chǎn)中常以結(jié)晶作為最后一步的精制操作。 比如在食品配料和添加劑都是通過結(jié)晶獲得的。如葡萄糖酸，蔗糖、谷氨酸鈉等。,2、結(jié)晶的過程：結(jié)晶是指從均勻相中形成固體顆粒的過程。主要有以下過程： 由蒸氣轉(zhuǎn)化變成固體 液體熔化物的凝固 液體溶液結(jié)晶的過程 本章主要討論從水溶液中結(jié)晶出所需產(chǎn)品的結(jié)晶過程。因此，結(jié)晶屬于物理分離手段。,(1)工業(yè)結(jié)晶過程,從水溶液中結(jié)晶以獲得固體產(chǎn)品； 從稀溶液中由水的凍結(jié)

2、以濃縮溶質(zhì)，即冷凍濃縮； 控制結(jié)晶操作以獲得某些流變學(xué)特性。 本章主要討論從水溶液中結(jié)晶出所需產(chǎn)品的結(jié)晶過程，屬于物理分離手段。,(2)食品工業(yè)中的結(jié)晶過程,從水溶液中結(jié)晶：包括兩種情況。 一是結(jié)晶操作作為獲得純凈固體的一種物理分離手段。例如制造葡萄糖； 另一種是結(jié)晶必須加以控制的場合，如蜂蜜中的糖分，冰淇淋中的乳糖等。 稀溶液中水的凍結(jié)：這種情形主要用以濃縮溶質(zhì)，稱為冷凍濃縮。 控制結(jié)晶操作使制品獲得一些流變學(xué)特性，例如：人造奶油中脂肪的結(jié)晶控制等。,二、結(jié)晶的基本原理,(一)、晶體的基本概念 1、晶體：是質(zhì)點（分子、原子或離子）在空間有規(guī)則地排列的固體物質(zhì)。有規(guī)則的排列即為質(zhì)點按照空間點陣

3、結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)方式排列。 2、晶胞：組成空間點陣結(jié)構(gòu)的基本單位成為晶胞。,晶體的分類,晶體的對稱要素：對稱面、對稱軸、對稱中心。 晶體外形對稱軸與晶系： 立方晶系 四方晶系 斜方晶系 單斜晶系 三斜晶系 六方晶系 三方晶系,3、晶體的特點,自限性 均勻性 各向異性 具有一定的熔點 對稱性 最小熱力學(xué)能和最大穩(wěn)定性,4、蔗糖晶體中存在的雜質(zhì),膠體：帶負電荷的膠體物質(zhì)，能被稍帶 正電荷的蔗糖晶體所吸引，使蔗 糖色度值深。 晶內(nèi)水：晶體大，含水量高，晶體小， 晶體內(nèi)含水量迅速小將0.03%。 無機鹽：Ca2+、Fe3+和亞硫酸根離子 容易被蔗糖結(jié)晶體吸附入晶體之 內(nèi)。,(二)液-固系統(tǒng)的相平衡,1、溶解

4、度：是指在一定溫度下，100g溶劑所能溶解的溶質(zhì)的最大限度(克數(shù))。 溶解度與溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，還與壓力及物質(zhì)顆粒的大小有關(guān)。 純蔗糖溶液的溶解度為,2、蔗糖-水系統(tǒng)相平衡,圖中任意點表示的是物系的一種狀態(tài) E點為最低共熔點 AE為冰點曲線，BE溶解度曲線 濃度低于E點的濃度，只是冷凍濃縮的操作，只有濃度高于E點的濃度，才是冷凍結(jié)晶的操作。,(三)過飽和溶液與過飽和系數(shù) 1、過飽和溶液：理論上，在任意溫度下，溶液的濃度超過飽和濃度， 就有溶質(zhì)析出，但實際上，把不飽和溶液用冷卻或濃縮的方法使其略呈過飽和狀態(tài)，一般并無結(jié)晶析出而成為過飽和溶液，只有達到某種程度的過飽和狀態(tài)，才有晶體析

5、出。 過飽和溶液糖液：將飽和糖液慢慢冷卻或慢慢蒸發(fā)，當糖液中溶解的蔗糖量超過該溫度下的溶解度時，仍無蔗糖析出，這種糖液叫做過飽和糖液。,2、不純糖液中蔗糖溶解度用飽和系數(shù)表示 3、過飽和系數(shù)：過飽和程度的大小用過飽和系數(shù)來表示，符號： 。,4、過飽和系數(shù)對結(jié)晶的影響 當 1，表示溶液為過飽和溶液；其中 =1.01.2 屬于介穩(wěn)區(qū)，可使已有的晶體長大，并且有新的晶核形成。加晶種、養(yǎng)晶核加一些助晶操作可控制在此介穩(wěn)區(qū)域，又稱育晶區(qū)； =1.21.3 屬于中間區(qū)，不僅已有的晶體長大，同時也能有新的晶核形成。刺激起晶常控制在此范圍，同時在該區(qū)域也常產(chǎn)生偽晶。 1.3 能自然起晶，晶核大量產(chǎn)生 當 =1

6、，表示溶液為飽和溶液； 當 1,(四)晶核的理論,1、成核過程 在一定溫度和純度下，當糖液濃度逐漸升高以至于過飽和時，分子的運動范圍逐漸縮小，分子間的吸引力大于排斥力時，蔗糖分子變互相吸引，形成所謂蔗糖分子的堆積點，即小的結(jié)晶體，并且自糖液中析出，這種在一定濃度下蔗糖從溶液中析出的過程就叫起晶。 A + A = A2 A2+ A = A3 。 An-1+A = An nA = An,2、溶液生成晶核質(zhì)點的臨界濃度,根據(jù)質(zhì)量作用定律，在平衡狀態(tài)時，平衡常數(shù)為 式中： - 溶液生成晶核質(zhì)點的臨界濃度 c- 溶液相濃度。通常用 來表示，c 為過飽和濃度，cs為同溫度下飽和濃度 n -分子數(shù) K -平

7、衡常數(shù),平衡常數(shù)可用當量平衡常數(shù)自由能表示，即 式中 Es - 當量自由能 (Es =s 其中 為表 面張力； s為表面積) R - 氣體常數(shù) T - 熱力學(xué)溫度 當 = 增大，n增大，則 增大 當 = 增大，s增大，則 增大,3、臨界半徑,如果把晶核質(zhì)點看成球形，則 。 根據(jù)吉布斯湯姆森 (Gibbs一Thomson)方程式： 即： 式中d: 蔗糖晶體密度 M：蔗糖分子量 晶核半徑rrcrit，晶核才能穩(wěn)定存在，并進一步長大。,4、晶核生成速度,決定于臨界濃度和溶液達到臨界濃度時單位時間內(nèi)晶核質(zhì)點發(fā)生的概率g 。 g值一般與母液的粘度成反比，即g ，粘度愈大，晶核生成速度愈小。,將式臨界半徑

8、rcrit代入球表面積公式，得： 式中，m代表一個分子的質(zhì)量， d代表它的密度 故 m/d表示一個分子體積 臨界晶核中的分子數(shù)目可用下式表示,根據(jù)吉布斯-湯姆森方程式亦可以寫成： 將上式代入速度公式，則得結(jié)晶速度為：,就是我們前面介紹的過飽和系數(shù)，根據(jù)上式可制得如圖10-6所表示的晶核形成速度與過飽和系數(shù)的關(guān)系。 即隨著溶液過飽和系數(shù)逐漸增大，晶核臨界半徑隨之變小(由臨界半徑表達式可知)，形成穩(wěn)定晶核的機會逐漸增加，及至溶液濃度到達某一過飽和度，晶核便會自發(fā)形成，并隨過飽和系數(shù)的進一步增大，成核速度將逐漸加快。,5、成核速度與影響成核的因素,根據(jù)阿倫尼烏斯方程式，成核速度為： 其中 式中 N

9、- 成核速度。即單位體積溶液， 在單位時間內(nèi)晶核數(shù)目的增多 A - 系數(shù),對于飽和溶液， ， ，成核需要的能量為無窮大，成核速度為零。所以飽和溶液中，不能自動成核。 影響成核速度的因素 (1)溶液過飽和度的影響,(2)溫度的影響,由式 核速度隨溫度上升， 達到最大值后，溫度 再升高，成核速度反而降低,(3)外加晶體的影響：加入晶體能誘導(dǎo)結(jié)晶。晶種可以是同種物質(zhì)或相同晶型的物質(zhì)，有時惰性的無定形物質(zhì)也可以作為結(jié)晶中心。例如，塵埃有時也能導(dǎo)致結(jié)晶。 (4)物理場和電磁波的影響：電、磁場、紫外光、超聲波等都能在一定程度上促進成核。當硬度較高的水用作冷卻水時，遇熱易成垢，但若加以電磁場，則可使其成核速

10、度增大。析出晶核較多而不易成結(jié)垢。因此，可用此法來防止形成水垢而影響傳熱。,6、起晶方法,在過飽和溶液中形成晶核的可能性有： 當足夠超過平衡狀態(tài)時，成核自然而然地發(fā)生； 施以外界作用，例如投入少量溶質(zhì)固體，抽入少量冷溶液或施以聲波振蕩、機械攪拌等加以刺激，在短時間內(nèi)生成大量晶核； 己存在的晶粒作為結(jié)晶中心。 在生產(chǎn)上相應(yīng)地將結(jié)晶方法分成 自然起晶法 刺激起晶法 種晶法,(1)自然起晶法,這是一種古老的起晶方法。將溶液蒸發(fā)冷卻至不穩(wěn)定區(qū)域，即易變區(qū)時，晶核便形成析出。 由于晶核的生成是逐步產(chǎn)生的，且受概率的影響，生成晶核的數(shù)量不容易控制，晶粒大小也很不一致。 古法冰糖的生產(chǎn)即采用此法。,(2)刺

11、激起晶法,將溶液濃縮至介穩(wěn)區(qū)(如糖液刺激起晶時，控制過飽和系數(shù)為1.11.3左右)時，突然施外加條件的影響，如突然降溫、降壓、降真空；或吸入外來固體雜質(zhì)或灰塵；或機械攪拌回轉(zhuǎn)或振動；或施加電磁場、聲波、超聲波及紫外線等，使處于不穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和溶液受到突然的刺激而析出晶體。 這種方法還可以調(diào)節(jié)刺激的條件，如它的強度、時間等。 凡含外來雜質(zhì)的刺激起晶也稱非均相成核 優(yōu)點：如操作條件如控制得好，該方法起晶速度快，晶粒整齊，粘晶、并晶可以減少。 缺點：不容易控制晶粒的數(shù)目和大小，易產(chǎn)生粘晶。,(3)種晶法,也稱晶核起晶法，在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)實施。將溶液濃縮至介穩(wěn)區(qū) (如糖液濃縮至過飽和系為1.101.15左

12、右)時，投入一定大小和數(shù)量的晶體細粉作為晶種，溶液中逾量的溶質(zhì)便在加入的晶種表面上析出，最后得到預(yù)期大小的晶體。 優(yōu)點：采用該法，晶粒數(shù)目和大小較容易控制，較易達到預(yù)期的要求。 種晶法除了上述投粉起晶法外，還有 分割法是把已結(jié)晶好的一罐 (晶粒較小)分割成若干部分作為若干罐的晶種，以此作為下一次結(jié)晶的底料。這樣，每罐的晶種數(shù)量一定。 種糊法是將粒子較小的晶體和溶液混合形成一定濃度的種糊。以種糊作晶種，晶粒數(shù)量可以控制。,7、晶體的培養(yǎng)長大,晶核一旦從溶液中形成后，便不斷吸收溶質(zhì)分子，并在空間按一定的晶格而排列，晶體得以成長。 晶體的生長速度與粒度有關(guān),8、影響結(jié)晶速度的因素,(1)濃度：結(jié)晶速

13、率與結(jié)晶溶液和相應(yīng)飽和溶液濃度之差 (c-c)成正比，即提高溶液的濃度可以提高結(jié)晶速度。 但過高的過飽和系數(shù)將使溶液的粘度上升，降低擴散速率，反而使結(jié)晶速度下降。 另外，如果過飽和度過高，晶體生長過快，容易發(fā)生晶形變化，晶體變成針狀或樹枝狀。,(2)粘度 擴散系數(shù) (式中T為熱力學(xué)溫度，為介質(zhì)粘度，為與溫度無關(guān)而與溶質(zhì)顆粒大小有關(guān)的常數(shù))，所以粘度升高結(jié)晶速率就下降。 在一些工業(yè)結(jié)晶中已越來越多使用表面活性劑等助劑來降低母液的粘度，從而提高結(jié)晶速度和改善晶形。,(3)溫度：溫度上升，介質(zhì)的粘度下降，則擴散系數(shù)提高，擴散速度加快，因而結(jié)晶速度提高。 (4) 固體（晶體)與溶液間的相對速度對結(jié)晶速

14、度的影響：結(jié)晶過程中，固體與溶液的相對運動速度一般通過物料的對流循環(huán)或外加攪拌器攪拌來實現(xiàn)。,(5)純度：也可以稱作雜質(zhì)對結(jié)晶的影響。溶液中和晶體共存的物質(zhì)可能在特定晶面上有吸附作用，一旦被吸附，就降低該晶面的成長速度。其結(jié)果降低了結(jié)晶速度，且晶體也將長成異形晶體。 (6)晶粒表面：結(jié)晶速度與晶粒的表面積成正比。晶粒的表面積與晶粒的直徑的平方成正比。即隨著結(jié)晶過程的進行，結(jié)晶速度逐漸加快。 但當固相的量一定時，粒度越細，它的總表面積卻越大。所以結(jié)晶小顆粒的產(chǎn)品其結(jié)晶速度更快，所需結(jié)晶時間較短。 在實際生產(chǎn)中，結(jié)晶小顆粒的產(chǎn)品要比結(jié)晶大顆粒的產(chǎn)品容易控制，但晶粒太細，晶粒與母液的分離困難，即會影

15、響后續(xù)分離操作。,三、食品工業(yè)中重要的結(jié)晶分離過程,蔗糖結(jié)晶： 制糖工業(yè)作為現(xiàn)代化工業(yè)，其蔗糖結(jié)晶已有自己完整的理論和工藝。在制糖工業(yè)，蔗糖的結(jié)晶過程稱為煮糖。 煮糖過程是分段進行的。我國的甘蔗糖廠和甜菜糖廠最常用的是三段煮糖系統(tǒng)。所謂三段煮糖，就是將糖漿經(jīng)過三次煮煉，從而使糖漿中的糖分充分結(jié)晶出來，使最終母液-廢蜜的純度降到最低限度。在煉糖廠中，由于糖漿的純度高，煮糖的段數(shù)更多，有的采用七段煮糖系統(tǒng)。,工藝流程,以糖漿為原料所煮成的糖膏稱為一號糖膏，經(jīng)分蜜后得到的蔗糖晶體再經(jīng)干燥后即為成品白砂糖，而分離得到的糖蜜(一次母液）作為二號糖膏的原料進行第二次煮煉，以使糖蜜中的糖分得到進一步回收。 二號糖膏分蜜時得到的糖蜜 (二次母液）再進行第三次煮煉，煮成三號糖膏。 三號糖膏分蜜后