食品机械与设备 课件 食品分离机械与设备

第九章食品分离机械与设备第一节

概述第二节

压榨机械与设备第三节过滤机械第四节离心机械第五节*膜分离设备第六节*分子蒸馏设备第七节*超临界流体萃取设备举例：纯净水、太空水的工艺流程几种典型的过滤装置：二氧化碳过滤器中空纤维超滤活性碳过滤器概述分离过程是食品加工中一个十分重要的操作。分离过程的投资常占生产过程总投资的50%-90%，用于产品分离的费用占到生产总成本的70%甚至更高。概述食品加工中典型的两大类混合物：均相物系和非均相物系。典型的非均相物系混合物：1.悬浮液：连续相为液体，分散相为固体（固-液系统），如：果汁、啤酒酵母混合液2.乳状液：连续相为液体，分散相为液体（液-液系统或液体混合物）如：全脂牛奶，油水混合物3.泡沫液：连续相为液体，分散相为气体（气-液系统），如：蛋白泡沫液

4.连续相为气体，分散相为固体（固-气系统），如烟、尘。气力输送中物料分离、空气除尘5.连续相为气体，分散相为液体（液-气系统），如雾。概述分离的方法1.机械分离方法分离多于一相的混合物，属于非均相体系的分离；过滤、压榨（根据截流性或流动性）；沉降（根据密度或粒度差）。沉降分离可分为重力沉降和离心沉降分离。后者包括离心分离和旋流分离，分离设备分别为离心机和旋流分离器。磁分离（根据磁性差）；静电分离（根据电特性）；超声波分离（根据对波的反映特性）。在以上分离方法中，过滤分离、离心分离和旋流分离被称为食品分离中的三大主要机械分离方法。分离的方法食品分离的方法2.扩散式分离方法蒸发、蒸馏、干燥等（根据挥发度或汽化点的不同）；结晶（根据凝固点的不同）；吸收、萃取、沥取等（根据溶解度的不同）；沉淀（根据化学反应生成沉淀物的选择性）；分离的方法（续）吸附（根据吸附势的差别）；离子交换（用离子交换树脂）；等电位聚焦（根据等电位pH的差别）；气体交换、热扩散、渗析、超滤、反渗透等（根据扩散速率差）压榨机利用压力将固体中包含的液体压榨出来的固液分离机械。榨汁机（略）榨油机（略）过滤机械使含固体颗粒的非均匀混合物通过布、网等多孔性材料分离出固体颗粒的单元操作。过滤是利用混合物内相的截留性差异进行分离的一种操作。优点：过滤应用范围广，适应粒度和浓度范围较宽，可用于连续相为流体，分散相为固体混合物的分离。缺点：过滤介质的堵塞难以避免，工作的连续性较差，对于低浓度的混合液过滤的经济性较差。一、概念二、过滤分离的工作过程过滤操作过程一般包括过滤、洗涤、干燥和卸料四个过程。过滤：悬浮液在推动力作用下，克服过滤介质（如：滤纸）的阻力进行固液分离；洗涤：停止过滤后，滤饼的毛细孔中包含有许多滤液，须用清水或其他液体洗涤，以得到纯净的固粒产品或尽量多的滤液；过滤分离的工作过程干燥：用压缩空气吹或真空吸，把滤饼毛细管中存留的洗涤液排走，得到含湿量较低滤饼；卸料：把滤饼从过滤介质上卸下，并将过滤介质洗净，以备重新进行过滤。三、过滤机的分类按过滤推动力分：重力过滤机、加压过滤机和真空过滤机；按过滤介质的性质分：粒状介质过滤机、滤布介质过滤机、多孔陶瓷介质过滤机和半透膜介质过滤机等；按操作方法分：间歇式和连续式过滤机。过滤机的选择液相属易挥发性或易引起爆炸和易燃性物料时，不能用真空过滤，且要求密闭防爆。腐蚀性较强的物料，对分离机械材料的选择有特殊要求。固相颗粒硬度较大时，则要求所选离心机械材料的耐磨性好。被分离物料，无论是固相或液相，若属于贵重物料，则要求回收率高。过滤机的选择固相物料为结晶产品时，要求分离时结晶的破损程度低。这对分离机械的结构及卸料方式、方法都有特殊要求。四、典型的过滤机械（一）板框压滤机*：是一种间歇式过滤机，利用滤板来支撑过滤介质，滤浆在加压下强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼。（二）加压叶滤机：是一种间歇式过滤机。（三）真空过滤机：以抽真空为推动力，一般为连续式操作，是一种连续性生产和机械化程度较高的过滤设备。（一）板框压滤机1主要结构滤板滤框滤布压紧装置支撑装置2主要结构及其作用2.1滤板：分为洗涤板和非洗涤板，面板上有各种凸凹纹路，其作用是支撑滤布并提供滤液流出的通道。滤板、滤框、滤布、压紧装置2.2滤框滤板和滤布的支撑载体。滤框与滤布共同作用形成滤浆和滤饼的空间。2.3滤布：分离滤浆和滤饼。2.4压紧装置：提供推压力。一般依靠螺杆的旋转提供推压力，也有采用液压油缸驱动的。

3工作原理利用滤板来支撑过滤介质，滤浆在加压下（0.3－0.5MPa，最大1MPa）强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼，分离滤饼和滤液。4工作过程滤浆由滤框上方通孔进入滤框空间，固粒被滤布截流，在框内形成滤饼，滤液则穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板，然后沿滤板的沟槽向下流动，由滤板下方的通孔排出。当滤框内充满滤饼时，停止进料，进行滤饼洗涤，洗涤后再将滤饼清除，重新组装，下一循环操作。b滤框a过滤板c洗涤板进料第四节离心分离机械一、离心分离概念（原理）*二、离心分离应用三、离心分离机械的分类*四、典型的离心分离机械一、离心分离概念（原理）离心分离：是指利用物料在惯性离心力的作用下进行固-液、液-液、液-液-固相分离。利用惯性离心力的作用下进行固-液、液-液、液-液-固相分离的机械称为离心机。具体可分为离心过滤、离心沉降、离心分离。

分离因数：是指物料所受离心力与重力的比值，也等于离心加速度与重力加速度的比值。

它是衡量离心分离机分离性能的主要性能指标，分离因数的大小常根据不同的分离物料性质和不同的分离要求来选取。第五节膜分离设备（简介）是利用膜的选择透过性，以膜的两侧存在一定量的能量差（压力差或电位差）作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现的分离。膜分离有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析和透析等。属于速度控制的传质过程，具有设备简单、可在室温或低温下操作、无相变、处理效率高、节能等优点，适用于热敏性的生物工程产物、浓缩与纯化。它在水处理、工业分离、废水处理、食品和发酵工业等方面的应用均取得了重大的突破。

第七节分子蒸馏设备分子蒸馏技术是在很高的真空条件下，对物料在极短的时间里加热、气化、分离，以达到提纯的目的，分离的对象都是沸点高，而又不耐高温、受热时易分解的物质。系统压力一般在0.133－1.33Pa范围内，物料受热时间仅0.05s左右。分子蒸馏：是指在高真空中进行的一种非平衡蒸馏。其蒸发面与冷凝面的距离在蒸馏物料的分子的平均自由程之内，此时，物质分子间的引力很小，自由飞驰的距离较大，这样由蒸发面飞出的分子，可直接落到冷凝面上凝聚，从而达到分离的目的。蒸馏是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的单元操作过程，是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。蒸馏是实现分离的一种最基本的方法，可实现固体和液体或液体和液体混合物的分离。对较易分离或分离要求不高的物系，可采用简单蒸馏；对温度不敏感、粘度适中，较难分离的物系，可采用精馏或特殊精馏；对于热敏性、高沸点、高粘度物质的分离或浓缩，可通过降低蒸馏操作压力以降低物料的操作温度，即所谓的真空蒸馏(减压蒸馏)但是，对于沸点高、热不稳定、粘度高或容易爆炸的物质，并不适宜使用普通减压蒸馏法，于是，一种新的分离技术—分子蒸馏技术也相应产生。是一种新型、特殊的用于分离或精制的技术，成功解决了高沸点、热敏性物料的分离提纯问题；该技术出现于20世纪30年代，60年代在很多国家工业上得到应用，我国80年代后期开始引进，90年代后期在少数食品添加剂和香料上实现了工业化；近年来，在中药产业该技术正逐步得到应用。一、分子蒸馏技术的发展1、概念分子碰撞

分子与分子之间存在着相互作用力，当两分子离得较远时，分子之间的作用力表现为吸引力，但当两分子接近到一定程度后，分子之间的作用力会改变为排斥力，并随其接近距离的减小，排斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度时，排斥力的作用使两分子分开。这种由接近而至排斥分离的过程．就是分子的碰撞过程。分子有效直径

分子在碰撞过程中，两分子质心的最短距离（即发生斥离的质心距离）称为分子有效直径。分子运动自由程

一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程分子运动平均自由程

任一分子在运动过程中都在不断变化自由程，而在一定的外界条件下，不同物质的分子其自由程各不相同。在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程。轻分子的平均自由程大于重分子的平均自由程。分子蒸馏（MolecularDistillation)，分子蒸馏是一种以液相中逸出的气相分子依靠气体扩散为主体的分离过程，是在高真空度下进行分离操作的连续蒸馏过程，实质上是一种特殊的液、液蒸馏分离技术。蒸馏物料分子从蒸发液面挥发至冷凝所经过的行程小于其分子运动平均自由程，不同物质分子由于运动平均自由程的差别，而在液－液状态下得到分离。2、原理分子蒸馏是在极高的真空度下，依据混合物分子运动平均自由程的差别，使液体在远低于其沸点的温度下迅速得到分离。轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小。1、物料在加热面上形成液膜

2、分子在液层表面上的自由蒸发

3、分子从蒸发表面向冷凝面飞射

4、分子在冷凝面上冷凝

5、馏出物和残留物分别被收集

分子蒸馏设备的优点操作温度低常规蒸馏法需在沸腾状态下操作，而分子蒸馏中混合物的分离是由于受热分子逸出液面的结果，并不需要达到沸点。所以分子蒸馏是在低于沸点的温度下进行操作的。分子蒸馏设备的优点蒸馏压强低由于独特的结构形式，内部压强极小，可获得很高的真空度。常规真空蒸馏一般真空度仅达5kp，而分子蒸馏真空度可达0.1—100Pa下操作，所以分子蒸馏使得蒸馏温度大幅度降低，有效避免和减少对物料的热损伤。分子蒸馏设备的优点物料受热时间短分子蒸馏装置中加热面与冷凝面的间距小于轻分子的平均自由程，液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面，所以受热时间很短，被分离物质可避免热损伤。分子蒸馏设备的优点无鼓泡现象常规蒸馏有鼓泡、沸腾现象，而分子蒸馏是在极高的真空度下进行的液层表面上的自由蒸发，由于液体中缺乏溶解的空气，因此在蒸馏过程中不能使整个液体沸腾，没有鼓泡现象。分子蒸馏设备的优点分离程度及产品收率高分子蒸馏的分离程度更高，常用来分离常规蒸馏难以分离的物质。溶剂萃取设备原理：有机溶剂萃取过程是利用两个互不混溶的液相中各个组分（包括目标组分）溶解度的不同，从而达到分离的目的。根据分离物系构成的不同，溶剂萃取设备可分成为液-液萃取设备和液-固萃取设备。萃取剂超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气体。因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂超临界流体萃取技术1822年，Cagniard首次报道物质的临界现象。1879年，HannyandHogarth发现了超临界流体对固体有溶解能力，为超临界流体的应用提供了依据。1943年，Messmore首次利用压缩气体的溶解力作为分离过程的基础，从此才发展出超临界萃取方法。发展现状1970年，Zosel采用sc-CO2萃取技术从咖啡豆提取咖啡因，从此超临界流体的发展进入一个新阶段。1992年，Desimone首先报道了sc-CO2为溶剂，超临界聚合反应，得到分子量达27万的聚合物，开创了超临界CO2高分子合成的先河。发展现状发展现状最早将超临界CO2萃取技术应用于大规模生产的是美国通用食品公司，之后法、英、德等国也很快将该技术应用于大规模生产中。

90年代初，中国开始了超临界萃取技术的产业化工作，发展速度很快。实现了超临界流体萃取技术从理论研究、中小水平向大规模产业化的转变，使中国在该领域的研究、应用已同国际接轨，在某些方面达到了国际领先水平。萃取技术萃取，又称溶剂萃取或液液萃取，亦称抽提，是利用系统中组分在溶剂中有不同的溶解度来分离混合物的单元操作。是利用物质在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使溶质物质从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中的方法。广泛应用于化学、冶金、食品等工业，通用于石油炼制工业。

超临界流体的定义继固态、液态和气态发现以后，人们又发现了可称为物质第四状态的超临界态。所谓超临界态，是指物质的一种特殊流体状态。当把处于气液平衡的物质继续升温、升压时，热膨胀引起液体密度的减小，而压力的升高又使气相密度变大，当温度和压力达到某一点时，气液两相的相界面消失，成为一个均相体系，这一点就是该物质的临界点。当流体的温度和压力都处在临界温度和临界压力以上时，则称该流体处于超临界状态，该流体为超临界流体。ATBCAT表示气-固平衡的升华曲线BT表示液-固平衡的熔化曲线CT表示气-液平衡的饱和液体的蒸气压超临界流体具有类似液体的密度、溶解能力和良好的流动性，同时又具有类似气体扩散系数和低粘度。因为其无论在多大压力压缩下都不能发生固化，故可简单地认为超临界流体是一种介乎于液体和气体之间的中间状态，又可称为重的气体或松散的液体，它具有许多独特的理化性质。

超临界流体具有很强的溶剂化能力，良好的传质性能，溶解性能随压力温度的变化而变化。超临界流体萃取的原理超临界流体具有选择性溶解物质的能力，而且这种能力随超临界条件（温度、压力）的变化而变化（由改变密度来实现）。因此，在超临界状态下，超临界流体可以从混合物中有选择地溶解其中的某些组分，然后通过减压、升温或吸附将其分离析出，这种化工分离手段称为超临界流体萃取。

用作萃取剂的超临界流体应具备以下条件:化学性质稳定，对设备没有腐蚀性，不与萃取物反应；临界温度应接近常温或操作温度，不宜太高或太低；操作温度应低于被萃取溶质的分解变质温度；临界压力低，以节省动力费用；

超临界流体的选择原则对被萃取物的选择性高（容易得到纯产品）；纯度高，溶解性能好，以减少溶剂循还用量；货源充足，价格便宜，如果用于食品和医药工业，还应考虑选择无毒的气体。

超临界流体的选择原则物质沸点/℃临界点数据临界温Tc/℃临界压Pc/Mpa临界密度ρ/(g/cm3)二氧化碳－78.531.067.390.448水100374.222.000.344乙烷－88.032.44.890.203乙烯－103.79.55.070.20丙烷－44.5974.260.220丙烯－47.7924.670.23n–丁烷－0.5152.03.800.228n–戊烷36.5196.63.370.232n–己烷69.0234.22.970.234甲醇64.7240.57.990.272乙醇78.2243.46.380.276异丙醇82.5235.34.760.27苯80.1288.94.890.302甲苯110.63184.110.29氨－33.4132.311.280.24甲烷－164.0－83.04.60.16常用超临界流体的临界性质表超临界流体的性质