（化工过程机械专业论文）中药水提取液冷冻浓缩强化机理的研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究中药水提取液冷冻浓缩过程中的传热传质机理及其强化途 径。 文中首先引入不可逆过程热力学理论建立了冰晶成长速率的数学模型。通 过分析该模型所推导出的方程式得出如下结论：温度、温度梯度、浓度梯度以 及结晶器中固液界面处过冷液膜厚度是控制冰晶成长的主要因素。降低稀溶液 的温度、搅拌溶液有助于促进冰晶成长。 在理论研究的基础上，本文进行了实验研究。用广州香雪制药公司提供的 抗病毒处方草药的水提取液，在载冷剂温度分别大约为一5 1 2 、一1 0 1 2 、一1 5 ( 2 的冷冻条件下，进行冷冻浓缩实验。在实验过程中，有些药液保持静止，进行 层状结冰浓缩；有些药液加以间歇搅拌。进行悬浮结冰浓缩a 在不同的浓缩倍 率下采样然后，委托广卅| 香雪制药公司采用高效液相色谱法检测部分样品的 主要有效成分连翘甙的含量。通过分析实验结果，得出如下一些结论： 1 采用间歇搅拌对提高冰晶成长速率的影响不大，反而增加设备的复杂程 度。 2 载冷赉j 对冷冻浓缩中的冰晶成长速率有一定的影响。在相同的操作温度 下，载冷剂的传热系数越大，冰晶成长速率越大。 3 降低溶液的温度，虽然冰晶成长速率得到相应的提高，但是溶液的温度 过低，导致冰晶成长过快，裹挟的药液增多，传质分离效果变差。所以，冷冻 浓缩操作中，要选择合适的操作温度和载冷剂。 4 文中的实验表明：以空气为载冷剂，抗病毒口服液冷冻浓缩层状结晶理 想的温度范围为一1 0 1 2 左右：此温度范围内，当浓缩溶液中连翘甙的含量小于 1 3 5 口g m l 时，连翘甙的损失率小于2 。如果把空气温度降低到一1 5 ，连翘 甙的损失增大 5 强化冷冻浓缩的传热传质效果时，应作综合考虑，应以少损失有效成分 作为首要依据，本文实验发现：以空气为载冷剂分离效果较佳。 本文关于冷冻浓缩的研究是初步的，对以后进一步的研究有一定的参考作 用。 关键词冷冻浓缩；中药水提取液：连翘甙；高效液相色谱分析 m 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sp r i m a r i l yd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo ft h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r a n di n t e n s i f y i n ga p p r o a c h e si nt h ec o n d e n s i n gp r o c e s so fc h i n e s eh e r b d e c o c t i o n b yf r e e z ec o n c e n t r a t i o n t h ei r r e v e r s i b l et h e r m o d y n a m i c s i si n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fg r o w t hr a t eo fi c ec r y s t a l f r o mt h ee q u a t i o nw e l e a r nt h a tt h et e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r e g r a t i t u d e ，c o n c e n t r a t i o n g r a t i t u d e ，t h i c k n e s so ft h es u p e r c o o l e di i q u i df i i ma tt h ei n t e r f a c eo f i c e a n ds o l u t i o na r et h ec o n t r o l sp a r a m e t e r s d e p r e s s i n gt h et e m p e r a t u r e o ft h ed i l u t es o l u t i o na n da g i t a t i o nw i l l p r o m o t et h eg r o w t ho fi c e c r y s t a l b a s e do nt h ea n a l y s i so fm o d e l 。t h ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e da n d c a r r i e do u t o r a la n t i v i r u sd e c o c t i o ni su s e da st h es a m p l es o l u t i o n s u p p l i e db yap h a r m a c y c o m p a n y as e r i e s o ff r e e z ec o n c e n t r a t i o n e x p e r i m e n t si sp e r f o r m e da tt h r e ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s s o fs o m ee x p e r i m e n t st h ed i l u t es o l u t i o ni ss t i i it op e r f o r ml a y e r c r y s t a l l i z a t i o n ，o t h e r si sa d d e dt oa g i t a t i o nt op e r f o r ms u s p e n s i o n c r y s t a l l i z a t i o n t h ec o n c e n t r a t e ds o l u t i o ni ss a m p l e da td i f f e r e n tv o l u m e c o n c e n t r a t i o nr a t eo ft h ed i l u e n t s t h eu s e f u lc o m p o n e n t( p h i l l y r i n ) o f t h es a m p l e si sm e a s u r e db yh i g hp e r f o r m a n c eo f1 i q u i dc h r o m a t o g r a p h ( h p l c ) i no n ep h a r m a c yc o m p a n y a c c o r d i n gt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ， s o m ec o n e l u s i o nc a nb ed r a w na sf o l i o w s ： 1 i n t e r m i t t e n ta g i t a t i o nh a v e1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h ei c ec r y s t a l g r o w t hr a t e ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tw i l l l e a dt om u c hm o r ec o m p l i c a t e d f a c i l i t y 2 c o o l a n th a sa ne f f e c to nt h ei c eg r o w t hr a t e u n d e rt h es a m e t e m p e r a t u r e ，t h eg r e a t e rd i a t b e r m a n o u sc o e f f i c i e n ti s ，t h eh i g h e ri c e c r y s t a lg r o w t hr a t ew eg e t 3 d e p r e s s i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h ed i l u t es o l u t i o n ，t h eg r o w t h r a t eo fi c ec r y s t a lw i l li n c r e a s ea c c o r d i n g l y b u tt h el o w e rt e m p e r a t u r e o ft h ed i l u t es o l u t i o n ，t h el o s st h eu s e f u lc o m p o n e n t ，b e c a u s et h eh i g h e r i v a b s l l t a c r _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - - - l _ - - _ _ _ - - _ - _ _ l _ ! 日- 一i i i _ l _ _ - e j _ - _ - _ _ _ - - - g r o w t hr a t eo ft h ei c ec r y s t a l c a nl e a dt oi c ec o n t a i nm o r eu s e f u l c o m p o n e n t s oi ti sk e yp r o b l e mt oc h o o s ep r o p e ro p e r a t i o nt e m p e r a t u r e a n dc o o l a n ta p p l y i n gf r e e z ec o n c e n t r a t i o n 4 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e s ：t oo r a la n t i v i r u s 。a p p l y i n g a i ra sc o o l a n t ，t h ei d e a lo p e r a t i o nt e m p e r a t u r es c o p ei sa b o u t1 0d e g r e e c e n t i g r a d eb e l o wz e r o w i t h i ns u c ht e m p e r a t u r es c o p e ，t h el o s so fp h i l l y r i n i s1 e s $ t h a n2p e r c e n ti fi t sc o n c e n t r a t i o no ft h ec o n c e n t r a t e ds o l u t i o n i sn o tm o r et h a n1 3 5 一g m i fd e c r e a s et h et e m p e r a t u r eo fd i l u t es o l u t i o n t o1 5d e g r e ec e n t i g r a d eb e l o wz e r o ，t h el o s s o fp h i l l y r i ni n c r e a s e dm o r e 5 t oi n t e n s i l y i n gt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r d u r i n gf r e e z e c o n c e n t r a t i o n ，i ts h o u l db ec o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d t h ef i r s t p r i n c i p l ei st h el e a s tl o s so fu s e f u lc o m p o n e n t t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e t h es e p a r a t i o ni sb e t t e rw i t ha i ra sc o o l a n t t h i st h e s i sp r i m a r i l yd i s c u s s e sf r e e z ec o n c e n t r a t i o n h o p i n gi td o e s g o o dt of u r t h e rs t u d y k e yw o r d sf r e e z ec o n c e n t r a t i o n ，c h i n e s eh e r bd e c o c t i o n ，p h i l l y r i n ，h i g h p e r f o r m a n c eo fl i q u i dc h r o m a t o g r a p ha n a l y s i s v 华南理工大学工学硕士学位论文 a i b c d k g g h j j d j q j s k c k i i i q r s t t 磊 q v v i x f h 4 石 t 符号说明 组分i 的活度系数 膜宽度( m ) 浓度( m o l m 3 ) 扩散系数( m 2 s ) 相图曲线斜率( m o l m 3k ) 重力加速度( r n 2 s ) 质量流量( k g s ) 传热系数( w m k ) 水的相对速率( m o i m 2 s ) 相对流速( m s ) 热流量( w m 2 s ) 溶质流量( m o l m 2 s ) 质量传递系数( m s ) 动力学系数( k g m t o o l s ) 流量方程中的唯象系数 热传递( j m 0 1 ) 气体常数( j m o l k ) 熵( j ，k ) 时间( s ) 温度( k ) 溶液的冷凝温度( k ) 冰的速率( 冰的成长速率) ( m s ) 组分i 的速率( m s ) 体积( m 3 ) 组分i 的摩尔体积( r n 3 m 0 1 ) 空间坐标( m ) 冷凝焓( j t 0 0 1 ) 主体( 总的) 过冷度( k ) 温差( t ) v i 符号说明 膜厚度( m ) 单位时间单位体积内产生的焓( w m 3 ) 冰的传热系数( w m k ) 溶液的传熟系数( w i n k ) 组分i 在恒定温度下的化学势( j t o o ) 运动粘度( k g m - s ) 密度( k g m 3 ) 梯度算子= 8 a x + a f 铆+ a a z 主体 平衡 水 冰和溶液的界面 冰 液体 溶质 恒定温度 j口气五孙户v 磁。鹎即m。t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：史森血 日期：2 0 0 5 年6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 史森直 ) 马毅 日期：2 0 0 5 年6 月2 日 日期：够6 月7 7 日 绪论 1 1中药产业现状 1 1 1 国家中药发展战略 第一章绪论 我国加入w t o 之后，中国中药产业面临外国医药跨国集团在争夺中药资 源、知识产权，挤占中国中药市场等方面的严峻挑战。在国外，特别是日本、 欧洲地区国家、美国已经出现多种采用新科学、新技术、新方法进行植物药研 究的思路，并形成各有特点的方法，在制剂及质量控制上的某些环节走在我们 前面。而我国的中药研究和中药技术落后，中药的出口，在国际市场上所占份 额很低，而且多为初级产品或原药材，出口的中成药多是一些技术含量不高的 丸、丹、膏等制荆，然而日本、韩国、德国、法国、英国等国家的产品已不断 进入我国市场，甚至开始在我国申请专利【l ，2 】。根据国家有关部门提供的信息： 目前世界天然植物药年销售额超过1 6 0 亿美元，并且以每年1 0 2 0 的速度 增长，而我国仅占到3 5 的市场份额，其中年出口额约1 亿美元。与中药 出口形成鲜明对照的是，我国对天然植物药的年进口额已经超过6 亿美元，并 且正以每年2 0 0 3 0 0 的速度在增长【3 】。我国中药企业虽然有1 0 0 0 多家，但 真正上规模符合国际生产标准的企业还太少。只有加强对中药产业的共性基础 研究和规范化建设，加强中药创新开发力度和知识产权保护，加强中药资源保 护，建。立合理开发利用制度，促进中药企业走向规模化和集团化，中国的中药 产业才能逐步实现现代化。 中药现代化对于中药生产企业、甚至整个中国医药产业都有着非常重要的 意义。根据新的发展形势和需求及中国中药现代化发展的任务，我国已确定了 薪世纪中药现代化的发展战略；以铋新为核心，加速中药现代化进程；以标准 为重点，提高中药产品质量；面向市场，积极推进中药产业发展；加强中药资 源及生态环境保护，保障中药产业可持续发展；优势集成，共同推进中药现代 化发展；中医中药相互促进，协同发展。 我国已经把中药产业的发展提到战略高度重点培养。1 9 9 7 年，科技部、国 家中医药管理局和卫生部联合开展了“中药现代化发展战略”软课题研究，形 成了“中药现代化科技产业行动计划”，并在有关部门的大力协作下得以组织实 华南理工大学工学硕士学位论文 施。国家发展研究中心、科技部和国家中医药管理局共同组织了中药现代化产 业推进战略研究，完成了上百万字的系统研究成果，提出了2 2 条对中药现代化 产业推进的建议，为国家相关机构战略决策提供了科学依据。2 0 0 2 年1 0 月国务 院正式批准并转发了科技部国家计委、卫生部等8 部门共同编制的中药现代 化发展纲要这一推动我国中药现代化的纲领性文件颁布之后，近期，国家经 贸委发出的工业行业近期发展导向对医药等1 1 个行业的近期发展导向给出 了具体的规划。导向对优势原料药、生物技术领域、中药现代化和新型制剂 四个方面的重点扶持对象和发展方向都有了明确的说明【4 1 。导向从中药材的 种植、提取、浓缩、质量控制等方面指出了中药现代化的具体措施。在g m p 认 证必须完成的最后期限之后，有关中药种植和提取的g a p 、g e p 的推行时间表 今后也会逐步推出。由此可见中药现代化进程从政策层面在加快进度。 同时，中药工程的学术研究与相应机构的建设也在不断发展，上海、广东、 四川、北京等省市先后建立了中药工程技术中心。“九五”期间和“十五”以来 科技部先后支持1 4 0 多种中药材的规范化种植研究，涉及近3 0 个省市自治区。 在宁夏、黑龙江、重庆等1 1 省区建立了规范化的种植基地，全国中药材规范化 种植基地从无到有，发展迅速，发挥了良好的示范带动作用。在四川、吉林、 云南、广东、河南、湖北、江苏、山东、贵州等省区建立了大型的中药现代化 科技产业基地。 科技部已确定“十五”期间“中药现代化研究与产业化开发”项目实施课 题，重点研究。“创新药物和中药现代化”系列科研项目也获取“国家高技术研 究发展计划( 8 6 3 计划) ”科研经费支持。自上世纪8 0 年代以来。国家和地方在 中药现代化方面己投入1 4 亿元巨资【5 1 。中国还将投入6 4 亿元实施“创新药物和 中药现代化”项目，实现中药生产从仿制为主向自主刨新为主、创仿结合的战 略性转轨，全面提高中药现代化水平p i 。有医药专家指出，已被列为“十五”期 间重大科技专项的这一项目，是中国医药产业应对加入世贸组织挑战的战略性 举措，将推动中国新药研发综合实力接近发达国家水平。 全国大部分省市都把中药产业化现代化列为当地产业结构调整和发展经济 的重要战略规划。据新浪网报道：2 0 0 4 年贵州农行2 亿元信贷资金全力支持贵 州中药产业现代化，随中药现代化企业的不断发展壮大，信贷资金还会上涨。 科技部在南宁召开专家论证会议上，中药现代化科技产业( 广西) 基地通过了 专家论证。该基地滚动总投资金额8 2 亿元，在2 0 0 5 年开始进入食品实施阶段， 计划在2 0 1 1 年全部完成建设规划。近年来，云南省聚合多方力量，通过政府科 技经费引导，带动企业、院校、科研机构投入资金3 0 多亿元，全力打造中药现 代化科技产业( 云南) 基地。各省市也纷纷制定并落实了各种措施来推进中药 现代化建设。 2 第一章绪论 广州市科技局已选中自云山中药厂、敬修堂和香雪制药相关产品进行深入 科研，本次中药现代化研究项目共投资5 0 0 万元，在此项目中白云山中药厂的 消炎利胆片、敬修堂的清热消炎宁和香雪制药的香雪抗病毒1 ：3 服液三个产品将 进行二次开发，对这三个中成药产品进行作用靶点机理研究。本次投资是广州 市重大科技攻关项目，是广州实施中药现代化战略的重大举措之一，将为广州 确定在中国医药市场地位和产品进入国际市场打下坚实基础。 中药行业在中药工业生产、科研、教育、工程设计与国际国内学术交流成 果转化和培养高级工程技术人才方面均取得了明显的社会效益和经济效益。我 国的中药产业基本定位予以中药农业为基础、中药工业为主体，中药商业为枢 纽和中药知识产业为动力的大中药产业。目前，中药工业和商业、企业虽然有 了一定的规模，但产业化程度不高，还没有形成一定的产业规模；作为鞋科研、 教育、信息、技术服务、技术转让等为主要内容的中药知识产业刚刚兴起【6 ，7 j 。2 l 世纪初，国内中药企业达到g m p ( g o o dm a n u f a c t u r ep r a c t i c ef o rd r u g s ，药品生 产质量管理规范) 标准的仅3 0 左右，中药现代化还要经过一段漫长艰辛的探 索实践。我国工程院院士、中国中医药研究院名誉院长王永炎曾经指出，目前， 制约中国中药产业可持续发展其中之一的因素是中药企业规模小、生产设备落 后、产品较为单一、重复生产严重。据统计，现在一千二百多家中药厂中八成 以上是中小企业，百分之九十五企业产品的市场占有率不到总销售额的一成， 甚至存在近百家中药厂生产一种药品的落后局面。众多中药企业仍沿袭几十年 前的工艺技术，极少采用高科技成果【”。 1 1 2 中药水提取液已有的三种浓缩方法及冷冻浓缩方法的引入 稀溶液的浓缩是一个重要的单元操作。制药工业上中药水提取溶液常用的 浓缩三种方法有煎煮浓缩、薄膜浓缩和多效浓缩“。对于含有易挥发成分及热 敏性成分的中草药提取液的浓缩进行比较： 1 煎煮浓缩法有常压浓缩和减压浓缩( 真空浓缩) 。常压浓缩使温度较高， 浓缩时间较长，易挥发性成份无法回收，对于芳香类等易挥发组分说，蒸发时 的加热容易造成溶液中这些有用组分的损失；对于一些热敏性物质，蒸发时的 高温易使得这些物质受热变性甚至焦结，这将会降低药物的有效性甚至改变药 物的性状。减压浓缩在蒸发器内形成一定的真空度，溶液的沸点降低，能减少 热敏性成分的分解，但需要增加回收易挥发性组分的装置。 2 薄膜浓缩技术是利用液体形成薄膜而蒸发，具有极大的表面，热的传递 速率快而且均匀，能较好的避免药物的过热现象，总的受熟时间也有所缩短， 膜式蒸发器适用于蒸发处理热敏性成分物料一，l ”。制药工业中使用的薄膜蒸发器 华南理工大学工学硕士学位论文 有升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、刮板式薄膜蒸发器、离心薄膜蒸发器。这些 薄膜蒸发器都是利用蒸汽加热来蒸发溶剂的。 3 多效浓缩技术，由于浸提液中含有大量的水或乙醇需要消耗大量的加热 蒸汽，为了更有效开发利用二次蒸汽的剩余热焓，将前一次的二次蒸汽作为一 效的加热蒸汽，与一次蒸汽相比，二次蒸汽的压力温度总是低些，效数越多， 所产出的二次蒸汽的压力温度越低，蒸汽每增加一次利用必须增加一台蒸发器， 设备投资费用也将随着效数的增加而增加。 从目前制药工业中所用的三种浓缩方式来看，它们都采用蒸汽加热法蒸发 溶剂。溶液的温度通常在6 0 1 3 以上，虽然真空浓缩和薄膜浓缩能减少热敏性成 分的分解，但对易挥发性成分的损失并没有有效的降低，而且蒸发溶剂消耗能 量比较多。因此人们在不断探索新的浓缩方法。 根据国内外相关领域浓缩技术的资料调查发现，冷冻浓缩法对于含有热敏 性成分以及含有易挥发性芳香物质的食品采用冷冻浓缩，得到的产品要优于蒸 发法和膜浓缩法 1 2 - 6 5 i ，面且在食品工业特别是饮料加工中成功的工业化应用，引 起了我们极大的兴趣。我们打算把冷冻浓缩技术引入到中药水提取液的浓缩工 艺中。 冷冻浓缩法其水分的排除不再是用加热蒸发或膜过滤的方法，而是依靠从 溶液到冰晶的相际传递，所以可避免芳香物质等困加热挥发或变性所造成的损 失和小分子溶质被过滤造成的损失，从而很好的保证了食品中的营养成分和风 味 13 - 2 0 l 。因此。我们把冷冻浓缩法引入中药制药领域，希望能借助于这一高新技 术的优势，能改善现有的浓缩工艺，制取疗效更优、口感更佳的中药制剂。 由于中药制剂多是复方制剂，药液中所含的成分复杂多样，而且很多中药 的有效成分还没有得到确定，有些中药的治病机理是多种成分协同作用的结果 f ”，这使得冷冻浓缩用于中药水提取液的浓缩要比橘汁等饮料的浓缩要复杂得 多。 因此，本文拟对中药水提取液进行冷冻浓缩的研究。 1 2 冷冻浓缩的现状 1 2 1 冷冻浓缩国内外研究现状 上世纪5 0 年代学者们已经开始关注冷冻浓缩技术了，到了7 0 年代，荷兰 e i n d h o v c n 大学的t h i j s s e n 教授等学者取得了突破性进展【2 ”。在从事多年的冰结 晶生长和分离之后，依据其研究结果和研究经验，成功地利用奥斯特瓦尔德 ( o s t w a | d ) 成熟效应( 小冰晶的平衡温度略低于大冰晶，当大冰晶和小冰晶混 4 第一章绪论 合时，小冰晶融化并在大冰晶表面重新结晶，使得大冰晶长大) 设置再结晶， 荷兰o r e n c o 公司根据他的研究制造的冷冻浓缩设备进行了商业开发并取得了成 功日”“l 。目前荷兰的n i r o 冷冻浓缩装置最成功。就啤酒行业来说，从8 0 年代末 到9 0 年代初起开始在啤酒行业应用，目前世界上已有很多啤酒厂家成功地采用 了冷冻浓缩工艺进行啤酒的浓缩和冰啤酒的制备1 3 7 。8 1 。特别是最近市场上新出 现的一种浓缩啤酒，这种啤酒呈橙黄色，生产于荷兰，它是用冷冻浓缩法酿制 而成【3 ”。味道爽口宜人，香味浓郁，饮用时直接掺水，可浓可淡，很是方便。 冷冻浓缩在工业上可分为悬浮式结晶和层状结晶两种方式l 。我们分别来 介绍它们各自的研究现状。 近年来有关悬浮结晶法的研究时常见诸报道。s h i r a i 等用小冰结晶凝聚成为 大冰晶的方法来减小单位体积冰晶的表面积1 2 ”。研究者以1 0 ( 质量分数) 的葡萄 糖溶液做试料，在0 2 1 2 k 的过冷却度下，添加占溶液总量6 ( 质量分数) 的种晶， 经7 小时凝聚成直径为o 7 7 m m 2 8 5 m m 的大冰晶。他们还将此方法用于海水 淡化及烧滔废液处理等方面1 。h a r t e l 等以脱脂牛乳为对象进行冷冻浓缩，维持 最佳热平衡条件，以求获得易分离的表面光滑的大冰晶；还进行了对再结晶槽 分段控温、进科液回收附着液等方面的研究1 3 7 , 3 8 1 。美国乳品研究基金会( d r f ) 、 美国电力研究院( e p r i ) 、美国能源部( u s d e ) 和荷兰g r e n c o 公司联合进行牛乳 制品冷冻浓缩的研究，使用去水量约3 6 0 k g h 的二次结晶冷冻浓缩中试装置，浓 缩包括全牛乳、脱脂牛乳、甜浮清、酸乳清、乳清蛋白浓缩物和乳清透过物在 内的6 种牛乳制品，取得良好效果1 。研究还发现冷冻浓缩的同时，乳糖也可 结晶分离出来，以此可生产低乳糖食品。迄今为止的报道( 4 2 , 4 3 , 4 8 4 9 1 显示，悬浮结 晶法所能形成的最大冰晶直径仅为毫米级【”掣】，小冰晶给分离造成的困难未能从 根本上得到解决。因此，固液界面小的渐进冷冻法引起了众多研究者的关注。 积极研究中的渐进冷冻法，渐进冷冻法是一种沿冷却面形成并成长为整体 冰晶的冻结方法。随着冰层在冷却面上生成并成长，界面附近的溶质被排除到 液相侧，液相中溶质质量浓度逐渐升高，利用这一现象的浓缩方法即为渐进冷 冻浓缩法。渐进冷却浓缩法最大的特点就是形成一个整体的冰结晶，固液界面 小，使得母液与冰结晶的分离变得非常容易。同时其装置简单，控制方便。如 能合理应用必将会大幅度降低冷冻浓缩的成本。目前对渐进冷冻浓缩技术的研 究主要集中于如下几个方面，即消除冰结初期的过冷却，以避免形成树枝状冰 结晶( d e n d r i t ec r y s t a l ) ；提高冰晶纯度，以减少溶质损失：提高浓缩终点与浓缩 效率；适用装置的开发1 3 7 , 3 s 1 。 为了提高浓缩效率，需增大料液与传热面的接触面积：为了提高浓缩效果， 需促进圃液界面的物质移动。资料表明有关渐进冷冻浓缩装置的研究，在这两 个方面做了很多的工作。f l e s l a n d 用一块竖直冷却板形成冰晶层的降膜实验装 华南理工大学工学硕士学位论文 置，增大了热交换面积，板上液体流量及冷板温度可调。以5 4 0 ( 质量分 数) 的蔗糖溶液为对象进行浓缩实验，在低浓度下取得较好的浓缩效果 4 7 , 4 8 。 m u l l e r 等以搅拌槽侧面作为冷却传热面的装置和降膜装置处理废水，以总有机 碳、化学需氧量、氨态氮和电导率为指标对生活废水处理的纯化率可以达到9 9 。 对高浓度的工业废水处理器纯化率可高达9 1 【3 7 , 3 5 。b a k e r 于1 9 6 7 年发明并由 日本大洋科学工业株式会社生产一种冷冻浓缩装置，该装置装有料液的回转球 型玻璃容器，倾斜安装于冷媒槽中，沿容器周边形成的冰晶层不断加厚，液相 浓度升高。该装置可在试验室内用于少量的且成分较单一的物质的提纯或浓缩。 白井等探讨了置于循环流动中的冷却板上冰结晶的成长等问题 3 7 , 3 8 j 。f r a n kg f q i n ，x i a od o n gc h e n 等学者以修正的b e s s e l 方程得到了冰膜成长动力学模型， 从这个模型中，可以得到冰膜下面的平板温度分布情况，也可以预测不同材料 的平板表面上的冰膜生长速率i 。这些讲促进渐进冷冻浓缩法的开发及应用研 究。 在国内，也有学者对冷冻浓缩展开了积极的研究，其中刘凌以葡萄糖溶液、 番茄汁为样液，利用下降速度可调式的简单装置，针对不同的搅拌速率对浓缩 效果的影响做了一系列渐进结晶式浓缩中试实验。实验结果表明：液楣的搅拌 速度、冰前沿移动速度、冻结初期的过冷却度是影响浓缩效果的主要因素p 7 ，3 ”。 在冷冻浓缩过程中搅拌稀溶液可以提高固液界面液相流动速率，有利于提高冰 晶纯度减少溶质损失1 5 5 - 6 4 1 。发表了多篇渐进式冷冻浓缩的试验结果以及理论分 析。华南理工大学与广州香雪制药公司合作利用冷冻浓缩研究中草药提取液的 浓缩，所生产的香雪抗病毒口服液连翘甙含量达到制药行业标准，口感得到较 大的改善，制品也已投放市场。相对来说，冷冻浓缩在国内的研究应用不多。 1 2 2 冷冻浓缩的应用情况 冷冻浓缩在国内应用不多，而在国外已有较多的工业化生产的应用。目前 国内外冷冻浓缩的应用主要集中在食品领域：咖啡、果汁、酒、醋、乳品等“”， 应用冷冻浓缩的目的和对象如表1 一l 所示： 1 2 3 冷冻浓缩法的优缺点 冷冻浓缩也许是液态食品除水最有效的技术且产品质量的改变最小。因为 浓缩是在封闭系统中、在冰点温度以下进行的，这种方法主要有以下几个独特 的优点1 3 7 , 4 5 1 ： 6 第一章绪论 表1 - 1 冷冻浓缩的目的和对象 t a b l e1 - 1t h eo b j e c t i v ea n do b j e c to ff r e e z ec o n c e n t r a t i o n 浓缩目的应用对象 减少液体体积以利于厂内储存和处理r u h 啤酒1 1 6 1 、牛乳的浓缩 1 17 2 0 l 降低采摘后的运输及储存费用降低容器费用甘蔗汁【2 1 1 、橙汁浓缩【2 2 。1 提高现存物质的浓度，否则因含量太低无法分 析或反应海洋学家实验用浓缩 2 5 , 2 6 1 生成结晶、回收不溶性有机和无机盐 用海水生产磷酸铵盐 2 5 , 2 6 1 海水制备纯水海水脱盐 2 5 , 2 6 1 提高可食用液体的糖含量至延缓腐败的程度果品糖浆 2 5 , 2 6 】 制作较浓的液体使之较为经济的干燥速溶或可溶咖啡【2 5 2 6 1 在保藏过程中恢复已稀释的浓度制成新型液腌渍液的浓缩 2 5 , 2 6 i 体产品 制成新型液体产品 由浓缩啤酒制麦曲 2 5 , z 6 1 将液体中某些成分的浓度提高到可描述程度葡萄酒浓缩提高乙醇量1 2 5 , 2 6 1 通过冷冻浓缩较早的产生不溶物或悬浮物沉降低啤酒的陈化时间 2 s , 2 6 1 淀加速反应 提高固形物浓度使之排除较为经济 浓缩处理污水 2 7 - 3 1 i 对产品进行处理防止运输期间变质出口葡萄酒冷冻浓缩 2 5 2 6 i 冷冻浓缩脾水静脉回输胸水以提高血清蛋白治疗难治性胸水【”l 含量 1 化学变化很小，微生物及酶的活性也很低，能防止操作中微生物的增 殖。 2 由于封闭系统中没有液气界面，浓缩过程中易挥发的芳香成分几乎没 有损失：由于在低温下操作，热敏性成分受到保护，最大限度地保持食品物料 的营养和风味。 3 ， 产品中有效成分损失最少。 4 冷冻浓缩结晶是一种节能环保的操作工艺。 冷冻浓缩法的主要缺点有 3 7 , 4 5 i ： 华南理工大学工学硕士学位论文 1 制品加工后还需冷冻或加热等方法处理，以便保藏。 2 采用这种方法不仅受到溶液浓度的限制，而且还取决于冰晶与浓缩液 的分离程度。一般而言，溶液粘度越高，分离越困难。不适用于粘度太大的溶 液的浓缩。 3 操作过程中由于冰晶挟带溶质会造成不可避免的损失。 4 成本较高( 随着制冷技术的日益完善，制冷设备性能更加稳定可靠， 而且其成本在不断下降，因此冷冻浓缩法的成本也会因制冷设备价格的下降而 随之下降) 。 1 3 本文研究内容 本文主要是关于中药水提取液冷冻浓缩过程中的传热传质机理及其强化途 径理论实验研究。文中阐述了冷冻浓缩的基本原理，然后从理论上探索冷冻浓 缩的关键因素，根据这些关键的控制因素，提出可行的措施，并设计试验方案 进行实验室小试实验来验证所提出强化措施的有效性。 理论研究的基础是建立一个合适的数学模型。引入不可逆过程热力学建立了 一个冰晶成长速率的方程式。由方程式可以看出，溶液的温度、温度梯度、浓度 梯度以及结晶罐中溶液中冰水固液界面处过冷的液膜厚度是控制冰晶成长的主 要因素。实验中采用了降低溶液温度以及采用搅拌分别进行试验。 冷冻浓缩可分为层状结晶和悬浮结晶。本文主要研究冷冻浓缩层状结晶的强 化机理，分别用空气及不冻液做了2 组实验，以研究层状结晶的浓缩结晶速率： 检测实验中得到的浓缩液中的有效成分含量，以研究层状结晶的分离效果。为了 比较层状结晶和悬浮结晶的浓缩结晶速率之间的关系，也做了1 组悬浮结晶实 验。 第二章过冷稀溶液中冰晶成长速率模型的建立 第二章过冷稀溶液中冰晶成长速率模型的建立 2 1 前言 2 1 1 冷冻浓缩的理论基础 冷冻浓缩是利用冰与水溶液间固液相平衡原理的一种浓缩方法。其操作是 把稀溶液降温至水的冰点( 凝固点) 以下使得部分水冻结成冰晶，把冰晶分离 出去从而得到浓缩液。 t d f x lx 2 x 图2 1 溶液的温度一浓度相平衡图 f i g 2 1d i a g r a mo fp h a s ee q u i l i b r i u m 溶液的相图如图1 所示，横坐标表示溶液的浓度x ，纵坐标表示的是溶液 的温度t 。曲线d a b e 是溶液的冰点线，d 点是纯水的冰点，e 点是低共熔点。 当溶液的浓度增加时，其冰点是下降的( 在一定浓度范围内) 。 某一稀溶液的起始浓度为x 1 ，温度在a l 点。对该溶液进行冷却降温，当温 度降低到冰点线a 点时，如果溶液中并没有“冰种”，则溶液并不会结冰，其 温度将继续下降到c 点，变成过冷液体。过冷液体是不稳定液体，受到外界干 扰( 如振动、引入种晶等) ，溶液中会产生大量的冰晶，并成长变大。此时，溶 液的浓度增大为x 2 ，冰晶的浓度为0 ( 即纯水) 。如果把溶液中的冰粒过滤出来， 可以达到浓缩的目的。这个操作过程即冷冻浓缩。假设：原溶液总量为m ，冰 品量为g ，浓缩液为p ，根据溶质的物料平衡，有： 华南理工大学工学硕士学位论文 【g + p 炻l = p x 2 ( 2 1 ) 或 旦；兰2 二兰! ：旦生 px 1 f c ( 2 2 ) 上式表明，冰晶量与浓缩液量之比等于线段b c 于线段f c 长度之比，这个 关系符合化学工程精馏分离的“杠杆法则”。根据上述法则可以计算冷冻浓缩 的结冰量【“】。 当溶液的初始浓度大于溶液的低共熔点( e 点) 浓度时，如果冷却溶液，析 出的晶体是溶质，使溶液变稀，这是传统的结晶操作。对于冷冻浓缩，稀溶液 的浓度应低于其共熔点浓度【4 5 6 3 1 。 2 1 2 不可逆过程热力学的引入 经典热力学是以平衡，准静态过程和可逆过程为模型，开展对能量转换规律 的讨论，严格的说，只是静热力学。 由于时间和空间上的不均匀性，造成过程的变化是不可逆的。为了解决不可 逆过程问题，我们引入不可逆热力学。不可逆热力学研究的是不可逆过程，尤其 是有互相干扰的、人们称之为耦合的不可逆过程【7 3 i ，如：传热和传质是一对耦 合的不可逆过程，导电和导热也是一对耦合的不可逆过程。 2 1 2 1 局域平衡与经典唯象理论 经典热力学方法只对平衡态有意义，对非平衡态没有意义。但我们将“系统” 分割为许多“子系统”，如果这些“子系统”满足： ( 1 ) 宏观足够小，以致即使整个系统不均匀，仍可将子系统按均匀系统描 述之： ( 2 ) 微观足够大，使其包容足够多的微观粒子，因而统计处理得以进行； ( 3 ) 距离平衡态不远，即不均匀性不大，这就要求，一个平均自由程的空 间尺度上，任何一个热力学函数的相对变化足够小。 当满足上述三个条件后，我们就可将局部地区的“子系统”看作是平衡的。 不可逆热力学的经典唯象理论是建立在局域平衡的假设上的。对体系偏离平衡态 不远的情况，可以应用线形不可逆过程热力学来研究。 2 1 2 2 不可逆热力学研究的对象 第二章过冷稀溶液中冰晶成长速率模型的建立 不可逆过程热力学研究熵产率与系统中发生的种种不可逆过程之间的联系， 包括以下内容： ( 1 ) 研究熵产率与系统中发生的种种不可逆过程之间的联系。特别是从节 能角度分析和优化热过程和热设备时，这个概念就有重要的意义。 ( 2 ) 线形不可逆过程热力学。其研究对象主要是稍微偏离平衡或紧平衡的 有耦合德不克逆过程。它主要研究两类问题：a 建立有耦合现象的微分方程组， 但这些方程往往非常复杂。b 不平衡定态问题，即系统中发生是凡个稳定的有耦 合不可逆过程。如：稳定的有耦合的导热和导电过程。不平衡定态问题，主要解 决耦合现象之间的联系( 建立状态参数与宏观特征之间的关系) 。 ( 3 ) 非线性的不可逆过程热力学。它研究在什么条件下，系统会远离平衡 失稳，发生“自组织过程”，以致有可能产生新的结构。 ( 4 ) 当系统中进行的不可逆过程不满足局部平衡假设时，以局部平衡为假 设、不可逆过程热力学的经典唯象理论便失效。这就要用福克一普朗克方程或波 尔兹曼方程描述的动力学方法【7 3 1 。 2 。1 2 。3 不可逆热力学的熵产率方程 不可逆热力学的理论基础有熵产率方程和昂色格倒易定律等。熵产率方程是 根据不可逆过程进行的几个守恒定律和平衡关系( 如：质量守恒，动力守恒，能 量守恒，熵平衡以及各种物质的量的平衡等定律及方程) 导出的。 单位体积的熵产率方程1 7 3 , 7 4 j ： 上 盯= j j x i ( 2 3 ) i = l 盯= j 化x 化+ j 热。x 热+ j 质x 质+ j 动量x 动量 ( 2 4 ) 这里，j 表示“流”，x 表示“力”第一项是反映率和亲和力的标量积，第 二项是热流和温度倒数的梯度的向量积，第三项是扩散流和化学势梯度的向量 积，第四项是粘滞力和速度梯度的张量积。总的来说，熵产率d r 是“流”与“力” 的内积的总和。各种不可逆过程就是由于体系中存在有各种可能引起流( 速) 的 ( 动) 力面自发进行的。熵产率方程( 2 3 ) 考惑了各种现象，在很大范围内适 用。方程( 2 4 ) 给出了包括传热、传质、粘性流动、化学反应在内的表达式a 2 1 2 4 线性律 华南理工大学工学硕士学位论文 根据经验和实验观察，如果系统离开平衡态不远，不可逆过程的流j ；( 如热 流量) 和各种与其耦合的( 推动) 力x ；( 如温度梯度) 之间成线性关系： j l j i = ：l i i x i ( 2 5 ) i - 1 此式表示有不同过程同时进行的耦合现象( 耦合现象有人称为交义现象) 存 在。其中l ，为唯象系数，是一种经验系数，表示流随力变化的率】。自唯象系 数l 日( i - - j ) 恒正，而互唯象系数l i j ( i j ) 可正可负。 不可逆