食品技术原理-浓缩技术.

一、液体浓缩技术概述1、浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂均匀混合液的部分分离过程。2、浓缩和干燥的区别浓缩过程中，水分在物料内部是借对流扩散作用从液相内部达到液相表面而后除去，最低水分含量约30%(质量)，一般为稳定状态的过程。干燥过程中，水分在物料内部借分子扩散作用从固相中几乎完全除去，且一般为不稳定状态的过程。二、浓缩方法①平衡浓缩是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离的方法。蒸发浓缩冷冻浓缩（自学）②非平衡浓缩：是利用半透膜来分离溶质与溶剂的过程，两相用膜隔开，因此分离不是靠两相的直接接触，故称非平衡浓缩。膜浓缩内容：蒸发的基本概念蒸发器类型及其选择单效真空蒸发多效蒸发蒸汽再压缩蒸发重点：蒸发器结构、多效蒸发流程难点：蒸发计算、蒸汽再压缩蒸发第一节蒸发及其特点一、蒸发的基本概念1定义：蒸发浓缩是利用溶剂和溶质挥发度的差异，从而获得一个有利的汽液平衡条件，达到分离的目的。即溶液中溶质的挥发性小，溶剂具有明显挥发性时，工业上常用加热方法，使溶剂汽化达到使溶质增浓的目的就是蒸发操作。食品工业浓缩的物料大多数为水溶液。蒸发就指水溶液的蒸发。2、蒸发原理按照分子运动学观点，溶液受热时，溶剂分子获得了动能，当一些溶剂分子的能量足以克服分子间的吸引力时，溶剂分子就会逸出液面进入上部空间，成为蒸汽分子，这就是汽化。如果不设法除去这些蒸汽分子，则汽相与液相之间，水分的化学势将渐趋平衡，汽化过程也相应逐渐减弱以至停止进行。蒸发的必要条件：热能的不断供给（饱和蒸汽）和生成的蒸气的不断排除。3、食品浓缩的目的除去食品中大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。提高制品浓度，增加制品的保藏性。浓缩经常用作干燥或更完全的脱水的预处理过程。浓缩用作某些结晶的预处理过程。二、食品物料蒸发浓缩的特点热敏性：加热温度和加热时间腐蚀性：酸性食品粘稠性：蛋白质、糖分、果胶结垢性：蛋白质、糖分、果胶过热泡沫性：物料沸腾时形成易挥发成分：芳香成分和风味成分三、蒸发对食品的影响风味风味物质损失解决方法包括：A将浓缩物与部分新鲜物料混合，以提高风味；B风味物质回收风味劣变颜色：加深营养物质损失第二节蒸发器类型及其选择一、蒸发器的组成蒸发器主要由加热室(器)和分离室(器)两部分组成。加热室的作用是利用水蒸气为热源来加热被浓缩的料液。蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。二、食品工业上常用的典型蒸发器标准式蒸发器悬筐式蒸发器加热室在外的蒸发器长管式蒸发器刮板薄膜蒸发器板式(片式)蒸发器(一)标准式蒸发器标准式蒸发器由上、下两部分构成，下部为加热室，上部为分离室。加热室由沸腾管、上、下管板所组成的加热管束。分离器顶部有捕沫器，用以分离雾沫，保证二次蒸汽洁净，有利于下一效蒸发器的加热。分离器顶部连接二次蒸汽排出管。标准式蒸发器的缺点在增强循环方面有一定限制，因而沸腾液一侧的传热膜系数也受到限制。不便清洗和更换管子。(二)悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器适用于中等粘度、轻度结垢的非腐蚀性料液，并且可以得到较好的蒸发速率。在食品工业上：果汁、麦芽浸出液、蔗糖、葡萄糖等溶液的浓缩。(三)加热室在外的蒸发器(自然循环型和强制循环型)蒸发器是由加热器、分离器和循环管三部分组成优点：可以改变两者之间的距离，并调节循环速度使料液达到不在加热室中沸腾可改善分离雾沫条件，并有可能将其作成离心分离器的形式。可将几个加热器共用一个分离器，从而必要时可灵活轮流使用每个加热器。循环条件得到了改善，检修、清洗也较方便自然循环型设备不适用于蒸发粘稠溶液，主要是传热速率降低，污垢易于形成。解决的办法是采用强制循环型，使溶液在管内流速达3~4m/s.(四)长管式蒸发器蒸发器采用细长的管子，单程通过的时间内，达到全部浓缩的要求，这就是长管式蒸发器蒸发器的管束很长，约6~8m，其截面积很小，具有很大的传热面，溶液送入管束后很快强烈沸腾，管子的中央部分充满料液蒸汽，蒸汽从管口流出的速度高达100-l20m/s。料液就被带动而沿管子内壁形成上升或下降的液膜。被蒸汽带动而沿管壁流动的液体速度可达20m/s，所以这种蒸发器被称为液膜式蒸发器。长管蒸发器的分类长管蒸发器根据浓膜的流动方向可分为升膜蒸发器、降膜蒸发器及升降膜蒸发器。1、升膜蒸发器料液先经预热至接近沸点，从管束的下端引入。操作时，管内有三段不同的区域。在底部，因液层静压力的作用，不发生沸腾，只是起着加热的作用。在中部，温度显著升高并开始沸腾产生蒸汽，但传热速率仍不太高。在上部区域，蒸汽体积急速增大，所产生的高速上升蒸汽使液体在管壁上形成一层薄膜，造成很好的传热条件。升膜蒸发器底部结构图特点优点：在加热器内料液停留时间短，传热系数高，适于浓缩热敏物料。缺点：在管内下部区域尚积存较多的液体，故而延长了接触时间(约15~30min)通常还不能通过严格单程蒸发达到所要求的浓度，一般尚需部分再循环，加长了停留时间，在管子中部易发生结垢和蛋白质沉积的现象。2、降膜蒸发器降膜蒸发器能较彻底消除因液体积聚所造成的静压效应,达到传热效率高，热能经济性好，停留时间短的目的。特点：经预热后的料液从管束的顶部加入料液进管必须有均匀分配装置降膜分布器的型式导流管具有螺旋形沟槽的圆柱体:导流管下端锥体端面向内凹入，以免液体再向中央聚集;利用加热管上端管口的齿缝来分配液体;靠管子上端的旋液分配器，用于强制循环降膜蒸发器中。降膜蒸发器应用降膜蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，使用广泛，例如牛奶、果汁和糖浆等浓缩。3、升降膜蒸发器是升膜蒸发与降膜蒸发相结合的蒸发器。将加热器竖管束分成两程，一程作稀液的升膜蒸发部分，另一程为浓稠液的降膜蒸发部分。如此结合，既有以两程代单程，缩短加热器长度的优点，而又可因分段浓缩各取有利方面以避免固有的缺点。(五)刮板薄膜蒸发器刮板薄膜蒸发器或称搅拌薄膜蒸发器，是另一种薄膜式蒸发器。其薄膜不是因为蒸汽的拖曳而是由机械的作用而形成。由夹套外壳和在壳内旋转的转动件组成，转动件上装有若干刮板。刮板薄膜蒸发器应用刮板薄膜蒸发器能处理粘度高达50，000~l00，000cP的粘性料液，一般用于后道浓缩操作。在浓缩热敏物料如番茄酱、咖啡茶、牛奶、麦芽汁和乳清等方面比较合适。刮板薄膜蒸发器特点优点可处理粘性极大的物料可浓缩浆状和带泡沫物停留时间短蒸发速率高可在传热温差很小的条件下操作，消除结垢现象。缺点刮板和壁速之间的间隙小，转动件要精密对中，因而结构成本较高不易清洗一般情况只能用于单效蒸发，耗汽量大投资费和操作费用大。(六)板式(片式)蒸发器板式蒸发器是由板式热交换器与分离器组合而成的一种蒸发器，也是一种薄膜式蒸发器。与升膜式、降膜式、刮板薄膜式相比较，差别在于以成型加热板上形成的液膜来代替管壁或壳上形成的液膜。板式蒸发器近代板式蒸发器在国外使用已很普遍。虽然工业上应用始于1950年。但早在1928年已运用板式热交换器的原理作成第一台板式蒸发器，并用于果酱的浓缩。随着食品浓缩低温、短时的要求愈来愈高，板式蒸发器已广泛应用于食品工业，特别是乳品工业。板式蒸发器将前述升降膜原理应用于板式换热器内部。通常的用法是将加热板排成四片一组。蒸汽在3~4板间沸腾成降膜，板组的数目可以变动，视生产能力需要而定。板式蒸发器与管式蒸发器比较板间的沸腾机理与管内发生的不完全相同，单位高度的传热面积，板式远大于管式，停留时间则板式远小于管式。如果板式蒸发的板隙和板宽加以适当改变，就可控制蒸汽速度，提高传热效率，而传热板仍能保持适度润湿。对各种不同粘度、不同浓缩比要求、不同沸腾温度的物料，调整传热板的尺寸可满足最佳操作条件的要求。板式蒸发器的板组(4片成1板组)按所需传热面积顺序装于机架上，对所有板组而言，加料是平流的。英国APV公司新型板式蒸发器这种设备没有升膜段，全部料液以降膜方式流过加热板，而加热板则比普通板式蒸发器的大。如此，一片降膜进料板紧接一片蒸汽加热板，即两片成一组，板的长度为以前的升膜板和降膜板长度之和，而板宽则比以前增加50%，因此，为完成同一任务，需要板数较少，组合后长度较短。料液在此设备内不再循环，且停留时间极短。板式蒸发器优点灵活性大，传热面积可按需要而随意增减整个装置所需的厂房高度小具有良好的卫生结构设计，传热面装拆方便可进行多效操作用途可变性大，包括热敏制品的浓缩。板式蒸发器的局限性因为使用橡皮垫圈密封，故不能处理有机溶剂的溶液，同时操作温度上也有限度为保证适当的升降膜操作条件，板间间隙小，故不能处理悬浮固体的料液。同时处理一般料液，也有必要在生产线上安装过滤器，防止液体颗粒进入蒸发器设备生产能力受限制三、蒸发设备的选择生产能力，通常是以每小时的水分蒸发量来表示物料需要浓缩的程度：通常以浓缩制品的固体百分含量来表示物料的热敏性：与停留时间及蒸发温度有关是否需要回收风味物质卫生结构及清洗的要求：清洁的容易程度操作的方便性装置大小，相对于蒸发能力的蒸发器大小，与厂房大小有关投资费用及操作费用：相对于蒸发能力和产品质量的操作费用制品热敏性制品粘度使用的蒸发类型说明无低或中等管式、板式、固定圆锥式水平管式不适于易结垢制品无或小高真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式洋菜、明胶、肉浸出液的浓缩可采用间歇式热敏低或中等管式、板式、固定圆锥式包括牛奶、果汁含固体适度的制品热敏高刮板模式、旋转圆锥式包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些药品。对浆状制品只能用刮板膜式高热敏低管式、板式、固定圆锥式要求单程蒸发高热敏高旋转圆锥式或板式要求单程蒸发。包括橙汁浓缩液、蛋白和某些药物四、影响蒸发经济性的因素由于发泡和夹带等引起的物料损失能量消耗，减少能量消耗的方法二次蒸汽再压缩二次蒸汽再加热多效蒸发（多效系统的数量取决于节省的能量与操作费用的增加比较）第三节、蒸发系统一、单效真空蒸发(一)定义：凡溶液在蒸发器内蒸发，所产生的二次蒸汽不再加以利用，则此种操作称为单效蒸发为了浓缩热敏物料，必须尽可能使操作保持在低温下进行。当蒸发压力低于大气压，则称此蒸发为真空蒸发。(二)单效真空蒸发装置蒸发器为升膜式，它包括一个长管加热器和一个分离器以及附属设备：冷凝器、真空泵、不凝气排除装置、疏水器、捕沫器。附属设备1、冷凝器：蒸发器所产生的大量二次蒸汽必须设法排除掉，方法是将其导入冷凝器进行冷凝。一般均采用混合式冷凝器2、疏水器：为求蒸发器的蒸汽利用经济、保持传热良好。同其他水蒸气加热设备一样，必须装置排除冷凝水的设备，即疏水器。3、真空泵：因为冷凝器所能冷凝的气体主要为水蒸气。而空气等不凝结气体如不设法除去，系统的真空度不可能长久维持。使用真空泵的目的就是抽出这些不凝结气体。4、不凝气排除装置：为保持加热室的传热效率。方法是在加热器侧壁上设抽气管口，并连以管子和排气阀门。5、捕沫器：蒸发操作时，应尽量避免或减少雾沫被二次蒸汽带出。浓缩时，雾沫夹带对得率和蒸发能力均有影响。如果是多效蒸发，还可能使下一效加热面形成污垢或腐蚀。特别在果蔬汁如蕃茄汁的浓缩时，强腐蚀性酸雾会带来严重的后果。造成雾沫夹带的原因泡沫:液料的表面张力减小是造成泡沫的原因之一蒸汽高速流动:蒸汽流动速度过快，必然促使雾沫伴随而行。溶液的急剧蒸发：溶液温度偏高，而蒸发温度偏低，发生突然闪急蒸发，形成雾沫。(三)单真空蒸发器装置内的传热蒸发过程实质上是以传热为主的过程。从整个单效真空蒸发系统来看：蒸发器和冷凝器的结合是两个热交换器的串联。蒸发器将热能从加热介质转移到二次蒸汽中去，然后由冷凝器又将二次蒸汽的热能转移到冷却介质中去。热量传递的总趋势是从加热介质放热开始，以冷却介应吸热而告终。整个单效真空蒸发系统的热量转移七个阶段。1、蒸发器加热侧的传递阻力。此项热阻一般较小，不是全过程的控制因素。2、蒸发器传热