第二章 冷冻加工--冷冻浓缩.ppt

1、第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章冷冻加工,第一节冷冻浓缩第二节冷冻干燥,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第一节冷冻浓缩,概述理论与方法冷冻浓缩装置系统应用,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,一、概述,原理特点与适用性,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（一）原理,冷冻浓缩：利用冰与水溶液间固液相平衡原理的方法低温冷冻分离冰,(水)溶液冰+溶液(稀)浓缩物一定温度下成平衡部分水从溶液中冰晶与浓缩液结晶析出分离,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（二）特点与适用性,1、低温操作，适用于热敏性物料的浓缩2、水分除去从浓液到冰，适用于芳香性挥

2、发物的保留(蒸发浓缩不行)3、浓缩物浓度受低共熔浓度和冰晶可分离程度的制约4、分离操作会造成一定的溶质损失5、成本高，只适合于高比价产品的浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,二、理论与方法,冷冻曲线与冷冻浓缩操作中的相平衡冷冻浓缩中的结晶过程冷冻浓缩中的冰晶浓缩液的分离过程,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（三）冷冻浓缩中冰晶-浓缩液的分离过程,分离效果：决定了冷冻浓缩应用的成功与否1、分离的原理悬浮液的过滤原理冰晶+浓缩液过滤床(冰晶床,冰床)浓缩液2、分离的操作方式间歇式,连续式,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（三）冷冻浓缩中的冰晶-浓缩液的分离过程

3、,3、分离设备：压滤机/过滤式离心机/洗涤塔/组合分离设备4、分离操作的过程方程,滤液体积,过滤时间,冰床上、下游压力差,滤液粘度,冰床透过率,冰床过滤面积,冰床厚度,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（三）冷冻浓缩中的冰晶-浓缩液的分离过程,冰床孔隙率,冰晶平均粒径,冰床透过率,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（三）浓缩中的冰晶-浓缩液的分离过程,5、分离设备的物料衡算,F料液量，BF浓度,G-冰晶量-夹带浓缩液量/单位质量冰晶,冷冻浓缩设备,P浓缩液量BP浓度,总物料衡算F=P+G,溶质物料衡算FBF=PBP+GBP,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（三）

4、冷冻浓缩中的冰晶-浓缩液的分离过程,总物料衡算F=P+G溶质物料衡算FBF=PBP+GBP因PBPGBPFBFPBP或P/FBF/PBP,可知：损失率随浓缩比(Bp/BF)增大而增大.也即随浓缩比增大分离不完全性增加。,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（二）冷冻浓缩中的结晶过程,1、水冻结成冰(晶)的实现2、冰晶的大小及影响因素3、工业上的两种结晶形式,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,3、工业上的两种结晶形式,层状冻结(规则冻结)悬浮冻结(发生在受搅拌的冰晶悬浮液),第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,悬浮冻结(发生在受搅拌的冰晶悬浮液),影响晶体粒度的因素悬浮

5、冻结中的晶核形成速率悬浮冻结中的过冷度不均匀平衡温度概念临界直径概念大小不同晶体混合液的主体溶液,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,大小不同晶体混合液的主体溶液,温度介于大小晶体平衡温度之间主体温度高于小晶体平衡温度,小(亚临界)晶体会溶解主体温度低于大晶体平衡温度,大(超临界)晶体会长大晶体溶解或长大速率随晶体本身尺寸差值的增加而增加冷点处小晶体若立即与大晶体液合并,小晶体完全溶解工业悬浮冻结操作中常用的手段,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,影响晶体粒度的因素,连续操作的葡萄糖实验：溶质浓度、溶液主体过冷度和晶体在结晶器内停留时间都会对晶体粒度有影响,第二章食品加工技术

6、4.冷加工技术-冷冻浓缩,溶质浓度,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,溶液主体过冷度,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,晶体在结晶器内停留时间,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,悬浮冻结中的晶核形成速率,与溶质浓度成正比与溶液主体过冷度的平方成正比,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,悬浮冻结中的过冷度不均匀,原因：结晶热不能均匀地从整个悬浮液中除去表现形为：局部点过冷度大于溶液主体过冷度结果：过冷度大的,晶核形成快,晶体成长慢缓和方法：提高搅拌速度,使温度均匀化,减少冷点数目,控制晶核形成,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,平衡温度概念,平衡温

7、度：一定浓度的溶液与晶体平衡的温度与晶体大小有关,但并不一定就是冰点只有当晶体相当大时,才等于冰点小晶体的平衡温度低于大晶体的,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,临界直径概念,临界直径：一定过冷度下与溶液成平衡的晶体直径小于此直径的称亚临界直径大于此直径的称超临界直径,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,层状冻结(规则冻结),晶层依次沉积在先前由同一溶液所形成的晶层上，是单向冻结，冰晶成针状或棒状发生在管式、板式、搅拌夹套式、带式等热交换器或结晶器上,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,层状冻结(规则冻结)的特点,冻结过程中，浓度逐渐增加，过冷度降低,冻结速率下降，冰

8、晶成长速率下降；浓度不变时，水分扩散系数愈小，粘度越大，平均直径越小；平行晶体间存在液层，在浓度20%，液层厚度随浓度而增加，浓度20%后，液层厚度不变；在稀溶液(10%)时有溶质脱除作用结晶的冰晶排斥溶质析出；只有在慢冻条件(晶体成长速度1cm/天)下,才会有溶质脱除现象。,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,1、水冻结成冰(晶)的实现,提供冷量，除去热量(结晶热=熔解热)，生成冰晶设备热交换器：管式,板式,搅拌夹套式,刮板式结晶器:真空式,内冷转鼓式,带式,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,2、冰晶的大小及影响因素,冰晶大小对操作的影响影响最优冰晶体尺寸的因素,第二章食品

9、加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,影响最优冰晶体尺寸的因素,结晶形式结晶条件分离型式浓缩液的价值(往往是主要因素),第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,(一）冷冻曲线与冷冻浓缩操作中的相平衡,冷冻曲线冰点下降冷冻浓缩的物料衡算关系,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,冷冻浓缩的物料衡算关系,（）12(冰晶量+浓缩液量)X初始液浓度=浓缩液量X终了液浓度浓缩前溶质量=浓缩后溶质量即:1（21）形成冰晶部分水分失去的溶质量=浓缩液因浓度升高而增加的溶质量,上式表示：冰晶量与浓缩量之比等于线段BC

10、与线段FC长度之比，这个关系称杠杆法则据此关系式可计算冷冻浓缩操作中的冰晶量和浓缩液量。,解:1、据题意1=10%2、查冷冻曲线,-10时果汁所对应的平衡浓度(2)为45%(质量)3、设冰量为,则浓缩液量为50-4、列出平衡关系:(+(50)1=(50-)2501=(50-)2=50-501250-50X10/4550-11.1138.89(kg)冷却到-10将有38.89kg冰晶析出,例右图所示为若干食品的冻结曲线,其中一条为苹果汁，若要将浓度为10%(质量)的50kg苹果汗冷却到-10,这时会有多少水分作为冰晶析出.,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,2、冰点下降,本质：溶液中水

11、分的化学势纯水的化学势冰点下降的计算式,对于稀溶液,气体常数,纯溶剂的温度(K),溶解热(J/kg),溶质浓度(kg/kg),冰点下降与渗透压关系,12bar/(1.2X106Pa/K),说明：冰点下降与溶液浓度成近似正比关系,温度降低旧平衡打破新冰晶生成新平衡出现此平衡打破再建立循环会一直进行下去,除非出现:温度不再变化,即冷媒温度=物料温度,没有冷量提供到达低共熔点浓度此时溶液整体固化,并降温冰点:溶液出现冰晶体的最高温度低共熔点:溶液整体成为固体的最高温度,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,冷冻浓缩的应用,可溶咖啡橙汁其他果汁啤酒其他：乳品、醋、葡萄酒等,第二章食品加工技术4.

12、冷加工技术-冷冻浓缩,三、冷冻浓缩装置系统,结晶设备分离设备,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（二）分离设备,设备种类压榨法离心过滤法洗涤塔法压榨法和洗涤塔的组合,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,1、分离设备种类,压榨机(水力活塞式,螺旋式)过滤式离心机洗涤塔,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,2、压榨法,溶液与冰一起被压成冰饼,不能采用洗涤方法将溶质洗去，溶质损失较大损失量决定于被压榨冰饼中夹带的溶液量降低溶质吸留量措施：使用高压力、长压缩时间，如107Pa左右压力、很长压缩时间时吸留量0.05kg/kg适用的浓缩比范围Bp/BF接近于1,第二章食品加工技术

13、4.冷加工技术-冷冻浓缩,3、离心过滤法,空隙率范围0.40.7，以球形晶体的空隙率为低,树枝状的较高残液的两种吸留形式a.晶体之间因粘性力和毛细管力而吸住液体b.因粘性力使液体粘附于晶体表面,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,离心过滤法的特点,可洗涤,分离效果好，但同时稀释浓缩液；溶质损失率：取决于晶体大小、液体粘度，即使洗涤冰饼仍可高达10%；严重缺点挥发性物质损失，旋转时液体与大量空气接触。,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,4、洗涤塔法,原理：利用纯溶解的水分排代晶体间的残留液1、间歇式只适于管内或板间生成的晶体进行原地洗涤对冰块表面冲洗2、连续式洗涤塔形式：浮床洗

14、涤塔、螺旋洗涤塔活塞床洗涤塔,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,浮床洗涤塔,动力晶体和液体之间的密度差应用：海水脱盐工业盐水和冰的分离,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,连续洗涤塔工作原理,晶体相与液相作逆向移动，操作时完全密闭且无顶部空隙；分离较完全,没有稀释现象,完全避免芳香物质损失,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,（一）结晶设备,1、直接冷却式以部分水蒸发的代价换取其他部分液体温度的降低，辅助冷媒(如丁烷)2、间接冷却式冷媒与被加工料液隔开的方法，相对结晶器而言有内冷式，外冷式两种形式,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,外冷式结晶器,特点在外部换热器中生成亚临界晶体部分不含晶体料液在结晶器与换热器之间再循环,第二章食品加工技术4.冷加工技术-冷冻浓缩,内冷式结晶器,结晶层可在原地或整块移去、异地处理可获得高浓缩比(40%)洗涤方便简单结晶速度慢,应用：目前尚未见有大规模生产,第二章