第十七章 浓缩技术与设备

第十七章

浓缩技术与设备掌握饮料生产过程中浓缩设备的基本工作原理。了解几类饮料浓缩设备的结构特点、系统组成和浓缩效果。学习目标01真空浓缩技术与设备一、真空浓缩工作原理及优缺点蒸发原理：溶剂分子受热获得动能，克服分子间引力后逸出液面成为蒸汽。蒸发浓缩：通过持续加热，溶剂不断汽化并被排除，浓缩溶液。提高蒸发速率：通常将溶液加热至沸腾状态，加速溶剂汽化。真空浓缩：为了保护料液品质，在-0.008~-0.018MPa的真空下，加热料液至较低温度进行浓缩。生产应用：许多饮料生产中利用此原理进行浓缩处理。

工作原理优点增大温差：加热蒸汽与液体的温度差更大。低压蒸汽：可利用较低压强的蒸汽作为加热介质。低温浓缩：降低浓缩温度，保持饮料的营养与色香味。减少热损失：沸点低，减少设备热损失。杀菌作用：加热过程中有助于食品保藏。缺点设备复杂：需要配备真空设备，增加机械设备和动力消耗。高热消耗：沸点降低导致蒸发潜热增加，热能消耗大。

三、真空浓缩设备分类（一）按加热蒸汽利用次数分类单效浓缩：产生的二次蒸汽不再利用。多效浓缩：二次蒸汽用于下一阶段蒸发器，提高热能利用率。（二）按料液在设备中的流程分类循环式（自然循环、强制循环）：热能利用率高。单程式：简单流程。（三）按加热器结构分类薄膜式浓缩设备：料液以薄膜状流动，蒸发快，热能利用率高。非膜式浓缩设备：大的蒸发面，适合盘管式、中央循环管式等设备。

四、真空浓缩设备基本结构（一）中央循环管式真空浓缩设备工作原理:料液在管内流动，加热蒸汽在管束之间流动。中央循环管截面积较大，料液加热升温慢，密度大，形成自然循环。特点与应用:结构简单，操作方便，但清洗困难。果蔬汁停留时间长，黏度高时循环效果差。适用于果酱、果汁、炼乳等产品的浓缩。

四、真空浓缩设备基本结构（二）盘管式真空浓缩设备结构:立式圆筒，分为蒸发室和加热室。加热室有3~5层盘管，每层独立控制蒸汽流量。

原理:蒸汽加热料液，料液膨胀上升，水分蒸发浓缩。料液循环流动，完成低压蒸发。

特点:结构简单，适合浓缩牛乳、果蔬汁等高黏度液体。温度均匀，热效率高，但可能影响产品品质。盘管式蒸发器是一种非膜式浓缩设备图5-2盘管式真空浓缩设备结构示意图1—汽水分离器2—加热盘管3—锅体4—蒸发室5—泡沫捕捉器6—二次蒸汽出口7—料液入口8—蒸汽入口9—浓缩液出口10—排水口。四、真空浓缩设备基本结构（三）带搅拌夹套式真空浓缩设备

结构:底部有加热夹套，锅内有搅拌器。夹套内通蒸汽加热料液，搅拌器促进料液流动和均匀浓缩。工作原理:通蒸汽排除空气，再抽真空吸入料液。开启蒸汽和搅拌器，料液受热蒸发，二次蒸汽被抽出，维持真空。特点:结构简单，操作方便，适合浓稠和高黏度料液。适用酱、炼乳等，生产能力低，不能连续生产。图5-3带搅拌夹套式真空浓缩设备结构示意图1—加热夹套2—搅拌器3—雾沫捕集器4—二次蒸汽出口5—料液入口6—蒸汽入口7—浓缩液出口8—排水口。

四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备1.升膜式真空浓缩设备结构:包含垂直加热管束和离心分离室。工作原理：料液从底部进入加热管，加热沸腾形成薄膜向上流动。在顶部离心分离，排出二次蒸汽和浓缩液。特点：占地小，热效率高，加热时间短。适合低黏度、热敏性料液。不适用于黏稠液体。注意事项：控制进料量和料液预热，防止液柱形成和管壁结焦。图5-4升膜式浓缩设备结构示意图1—加热器2—循环管3—分离器4—捕沫装置5—料液入口6—二次蒸汽出口

7—蒸汽入口8—排水口9—浓缩液出口。

四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备双效升膜式真空浓缩设备结构:包含一效和二效加热器、分离器、冷凝器、集液器、真空泵等。特点:高效节能，利用二次蒸汽重复加热。适合连续生产，提高料液浓度。应用:适用于浓缩茶汤、果汁、乳制品等需要高效浓缩的液体。四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备2.降膜式真空浓缩设备结构:料液从顶部进入加热管，分离室在下方。工作原理:料液在重力作用下形成薄膜，向下流动并被加热。蒸汽和浓缩液分离，蒸汽从顶部排出，浓缩液从底部排出。特点:热效率高，受热时间短。适合浓缩果汁、茶汤等，清洗方便。图5-6降膜式浓缩设备结构示意图1—料液入口2—蒸气入口3—加热管4—分离器5—二次蒸汽出口6—冷凝水出口7—浓缩液出口四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备顺流式双效真空降膜浓缩设备结构:包含两个蒸发器、预热杀菌器、水力喷射器、多个泵。工作原理:料液依次经过预热、蒸发、浓缩，然后被泵抽出。蒸汽循环加热，提高效率，部分蒸汽被冷凝。特点:高效、节能、产品质量好，操作方便，配有清洗系统。四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备三效降膜式真空浓缩设备结构:包括三个蒸发器、分离器、冷凝器和多个泵。工作原理:料液经过预热后，依次通过三个蒸发器进行加热和蒸发。每级蒸发后的二次蒸汽用于加热下一级蒸发器，逐步提高料液浓度。特点:受热时间短、蒸发温度低、处理量大、蒸汽消耗少。适合浓缩茶汤、果蔬汁等热敏性料液。四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备四效降膜式真空浓缩设备四、真空浓缩设备基本结构（四）膜式真空浓缩设备3.离心薄膜真空浓缩设备高效蒸发：利用离心力使料液成膜，传热效率高，蒸发强度大。低温操作：蒸发温度低于50℃，适合热敏性液体浓缩，如果汁。分离与排出：浓缩液与二次蒸汽分离彻底，浓缩液在离心力作用下排出。局限性：不适合黏度大、易结晶、易结垢的料液，结构复杂、成本高。1—罐体2—排汽口3—主轴4—转子5—出料口6—进料口

02反渗透浓缩技术与设备一、反渗透膜浓缩技术基本原理：利用压力驱动溶剂（如水）通过反渗透膜，达到溶液浓缩的目的。逆渗透：与自然渗透相反，通过加压使溶剂逆向渗透，浓缩料液。常温操作：在常温下进行，无相变，能保留物质的原有性质。高效节能：提高浓缩效率的同时，降低能耗

二、反渗透膜的种类及组件结构（一）反渗透膜的种类反渗透膜按照膜的结构可分为非对称膜、均质膜、复合膜、动态膜；按照膜的材质可分为醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜、无机膜等。（二）反渗透膜的组件结构有四种基本形式：板框式、管式、中空纤维式和螺旋式。

三、反渗透膜技术的应用（一）果汁浓缩原理：通过施加压力，水分子穿过膜，溶液被浓缩。优点：在常温下进行，保留物质原有性质，降低能耗。果汁应用：有效去除水分，保留糖分、有机酸、香气成分。局限性：一级反渗透浓缩度有限，需联合装置提高浓缩度至60%Brix以上。

三、反渗透膜技术的应用（二）乳清蛋白回收乳清成分：含有0.7%蛋白质和5%乳糖。处理流程：• 预处理：pH调整至5.2-5.9，杀菌15秒（71-85℃）。• 超滤：使用相对分子质量20000~25000的超滤膜，截留95%~99%的乳清蛋白。• 浓缩与干燥：截留的乳清蛋白经过喷雾干燥，制成乳清粉。（三）啤酒制造

酒精调节

低酒精啤酒：去除一部分酒精，降低酒精含量；无酒精啤酒：几乎完全去除酒精。•啤酒处理

芳香物质保留：较大分子的芳香物质被膜截留，保留啤酒风味。•废水处理

水资源回收：减少环境污染，降低生产成本三、反渗透膜技术的应用（四）糖浆脱色反渗透膜在糖浆生产中的作用包括：1.去除杂质：悬浮物、色素、蛋白质：去除糖汁中的杂质，提高产品纯度。大分子物质：如葡聚糖、胶体、淀粉、蔗脂、蔗腊等。2.改善质量：降低色值和粘度：使糖浆色泽清亮，质地更佳。3.保留糖分和风味：糖分和风味物质：保留糖浆的甜味和风味。03冷冻浓缩技术与设备冷冻浓缩技术原理及优缺点冷却过程：将溶液冷却至冰点以下，水分析出为冰晶。冰晶分离：将冰晶与浓缩液分离，浓缩液中的溶质浓度提高。共晶点：当溶液温度降至共晶点时，所有水分将形成冰晶，溶液达到最大浓度。原理对比：冷冻浓缩：冰晶析出，溶液浓度升高。结晶操作：溶质析出，溶液变稀。适用于热敏性食品的加工。优点1.保护热敏成分；2.保留芳香物质；3.冷冻浓缩能有效保留食品的营养和风味缺点1.浓缩度有限；2.分离困难；3.微生物风险；4.成本较高。一、冷却结晶设备（一）直接冷却式结晶器工作原理：在真空状态下，一部分水汽化吸热，另一部分水结晶成冰，保持体系温度稳定。优点：节省成本、节能缺点：风味损失适用性：对多数果汁需使用吸收器来回收芳香物质，减少损失。图5-13具有芳香物质回收的真空结晶装置结构示意图1—真空结晶器2—冷凝器3—干式真空泵4—湿式真空泵5—吸收器Ⅰ6—吸收器Ⅱ7—冰晶分离器V—水蒸汽A—芳香物C—浓缩液I—惰性气体

一、冷却结晶设备（二）内冷式结晶器第二种：产生可泵送料液。结晶与分离过程分开。典型设备：内冷却转鼓与刮刀。冷冻浓缩多采用第二种结晶器，产生可输送的悬浮液。晶体粒度小，一般小于50μm。第一种：产生几乎完全固化悬浮液。层状冻结原理，晶层厚度固化；可以在原地洗涤或移出分离。优点：可浓缩到40%以上，洗涤简单。缺点：冰晶薄，分离困难。一、冷却结晶设备（三）外冷式结晶器类型一：料液先在外部冷却器冷却。冷却的料液在结晶器中释放冷量。液体可循环，晶体被截留。类型二：悬浮液在结晶器与换热器之间循环。晶体在结晶器内主要成长。类型三：外部换热器中产生亚临界晶体。无晶体料液部分循环回换热器。刮板式换热器产生极小晶体。小晶体在结晶器内溶解，促进大晶体成长。如图5-14所示。二、冰晶悬浮液分离设备（一）压榨机（二）离心机（三）洗涤塔洗涤塔功能：实现完全分离，浓缩液不会被稀释。密封设计防止芳香物质损失。复原后浓缩液与原液品质无明显区别。晶体和液相逆向移动，密切接触进行分离二、冰晶悬浮液分离设备（三）洗涤塔（1）浮床式洗涤塔（2）螺旋式洗涤塔（3）活塞式洗涤塔二、冰晶悬浮液分离设备（四）压榨机与洗涤塔组合组合优点：只需简单洗涤塔，降低设备成本。可提升洗涤塔生产能力。能有效分离高黏度或小晶体悬浮液。压榨机与洗涤塔组合可实现最经济的分离过程。图5-18压榨机与洗涤塔典型组合流程1—混合器2—洗涤器3—结晶器4—压榨机。

A—进料稀液B—冰与中浓缩液C—中浓缩液D—纯水E—回流浓缩液F—浓缩液排出G—冰与浓缩液H—冰饼与浓缩液三、冷冻浓缩系统（一）单级浓缩系统单级冷冻浓缩系统原理：一次性将料液中的部分水分结成冰晶。对冰晶悬浮液分离，获得冷冻浓缩液三、冷冻浓缩系统（二）多级浓缩系统逐级降温：每一级浓缩液在更低温度下进一步浓缩。冰晶分离：部分水在低温下结冰并被分离。温差控制：通过调整循环速度，实现所需的冻结温度差异。二级冷冻浓缩装置的关键在于其能够将液体食品浓缩到高浓度，而不会丧失原始产品的风味和营养价值。04[案例]苹果浓缩汁生产设备流程[案例]苹果浓缩汁生产设备流程1—果池2—滤水格栅3—一级隔板提升机4—网带捡果机5—一级鼓泡清洗池

6—二级刮板提升机7—破碎机8—果浆暂存罐9—带式榨汁机10—果汁