第七章食品浓缩和结晶案例

第七章液体浓缩一、浓缩的目的和分类二、蒸发浓缩三、膜分离四、冷冻浓缩一、浓缩的目的和分类浓缩：利用物理方法从液态食品中除去水分的过程，也指溶液浓度提高的操作过程。包括蒸发、冷冻浓缩等操作。一、食品浓缩目的与分类1.目的a、除去食品中大量水分，减少包装、贮藏和运输费用。b、提高制品浓度，增加制品的保藏性。延长制品的有效保藏期。c、浓缩经常用作干燥或更完全的脱水的预处理过程。d、浓缩用某些结晶操作的预处理过程。100吨含5%固形物的番茄汁浓缩至含固形物28%的番茄酱,重量减至18吨,为原重量的1/5左右制造奶粉时,牛奶先经浓缩至含固形物45~52%以后再干燥2.分类平衡浓缩：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。蒸发浓缩和冷冻浓缩属于此法。非平衡浓缩：利用半透膜来分离溶质和溶剂的过程，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。蒸发是利用了溶剂和溶质挥发度的差异,冷冻浓缩是利用了稀溶液与固态冰在凝固点下的平衡关系。二、蒸发浓缩1、蒸发浓缩基本概念:(分子运动学观点)2、食品物料的蒸发浓缩具有如下特点a、热敏性“高温短时”b、腐蚀性选用适当的结构材料c、粘稠性采用外力强制的循环或搅拌措施d、结垢性提高料液、强制循环或定期清理e、泡沫性使用表面活性剂f、易挥发成分采取回收措施3、蒸发器的类型及选择a、短管或排管式蒸发器工作原理：管子长度为0.5~2m.管径为25~75mm,管子的长径比为20~40缺点：加热器滞留体积大，蒸发停留时间长。适用物料：中等粘度、轻度结垢的非腐蚀性料液，制糖工业（从原料中结晶精制糖）b、长管垂直升膜式蒸发器工作原理：管束很长,约6~8mm.截面积很小,蒸汽流出速度可达100~120m/s优点：加热器内料液停留时间短，传热系数高。缺点：管内下部区域积存较多液体,延长了接触时间(约15~30min),管子中部易发生结垢和蛋白质沉积现象。适用物料：浓缩热敏物料（乳品和果汁）。c、长管垂直降膜式蒸发器工作原理：优点：不存在静液层效应，物料沸点均匀，传热系数高，停留时间短(少于30s)。适用物料：浓缩热敏性物料（乳品和果汁）d、强制循环蒸发器：工作原理：强制手段：泵或搅拌器优点：提高了沸腾给热系数，降低单程汽化热，溶液在加热壁面附近的局部浓度增高现象可以减轻。加热面上结垢现象可以延缓。适用物料：不适用于热敏性物料，已经应用于番茄制品的加工以及制糖生产中的精制工序。e、刮板薄膜蒸发器工作原理：刮板边缘与传热面间的间隙一般为0.5~1.25mm优点：能处理粘度高的粘性料液而仍能保持较高的传热效率。缺点：设备投资费用大，不易清洗，耗汽量大，生产能力小。因此，常用于后道浓缩操作。适用物料：高黏度的物料（果酱或蔬菜酱甚至是高浓度的糖浆）f、板式蒸发器（也是一种薄膜式蒸发器）工作原理：优点：a、灵活性大，传热面积可按需要随意增减。b、整个装置所需的厂房高度小。c、具有良好的卫生结构设计，传热面装拆方便。d、可进行多效操作。e、用途可变性大，包括热敏性制品的浓缩。缺点：a、不能处理有机溶剂的溶液，同时操作温度上也有限制。b、不能处理悬浮固体的料液，处理一般料液也要在生产线上安装过滤器。c、设备生产能力受限制。适用物料：适用范围广，但不能处理悬浮固体的料液。g、离心式/锥式蒸发器工作原理：优点：物料停留时间短，料液经过时间只有1秒左右。对热敏性物料的蒸发很有效。但不能无限制的增加转速,否则液膜不能连续,传热面不能连续缺点：费用高和生产能力有限。适用物料：热敏性物料（乳品、果汁类等）4、蒸发器结构（一）单效蒸发单效蒸发流程示意图：（二）多效蒸发多效蒸发：将几个蒸发器串联起来，用前一效产生的二次蒸汽作为下一效的生蒸汽。双效蒸发流程示意图关键点：要减少二效蒸发的操作压力。用压缩装置来提高二次蒸汽的质量。根据多效蒸发的加料可有四种不同方法：a、顺流法料液与蒸汽成顺流的方法适用范围：热敏性食品优点：料液在效间流动不需要泵，高浓度料液处于低温时对浓缩热敏性食品是有利的。缺点：粘度显著升高使末效蒸发增加困难。b、逆流法料液与蒸汽成逆流的方法适用范围：高粘度的浓缩产品优点：粘度增加没有顺流的显著，对改善循环条件，提高传热系数均有利。缺点：可能局部过热引起结焦和营养物质破坏的危险。效间料液流动要用泵。料液在高温操作的蒸发器内的停留时间要较顺流为长。C、平流法每效都加入原料的方法适用范围：只用于在蒸发操作进行的同时有晶体析出的场合。（食盐溶液的浓缩）优点：对结晶操作较易控制，并省掉了粘稠晶体悬浮液的效间泵送。d、混流法组合上述各种方法的方法优点：此法起协调顺流和逆流优缺点的作用，对粘度极高的料液很有用处，特别是在料液粘度随浓度而显著增加的场合下。e、额外蒸汽的运用有时将某一效的二次蒸汽引起一部分用作预热蒸发器的进料，或用作其他的加热目的。这种中间抽出的二次蒸汽，称为额外蒸汽。优点：是一项考虑工厂全局提高热能经济利用的措施。（三）蒸汽再压缩蒸发1、蒸汽热压泵工作原理：优点：提高蒸汽的经济效益缺点：a、浓缩低相对分子质量的物料（如蔗糖、果汁），产生超热蒸汽。b、使用热压泵，必须要有400kPa的高压c、蒸发器不易控制,如果蒸发器内的操作条件改变时,会发生传热表面的结垢,降低热压泵的效率。2、蒸汽机械压缩泵工作原理：只在蒸发开始时用生蒸汽,然后再用压缩的二次蒸汽,获得35~40倍的蒸汽利用率。优点：a、减少冷却水的用量。b、热量回收是可能的。c、蒸汽和物料间的温差较低。d、高温下受热时间短，可保持低热分解和高品质。适用条件：a、只适用于粘度低的稀溶液。b、需要物料和蒸汽的温差小时。c、没有沸点升高时。d、蒸汽中雾沫夹带少时。e、无严重结垢时。f、适用于电力发达而电费便宜的地区。5、蒸发浓缩过程香味的保护与回收（1）采用低温蒸发浓缩设备，减少香味成分的挥发（2）采用短时蒸发浓缩设备（3）蒸馏法回收6、选择一种蒸发系统时必须考虑的因素（1）物料特性（2）生产量和操作时间（3）公用系统和设施及成本（4）总的经济效益核算三、冷冻浓缩1、基本原理：当溶液中溶质浓度低共熔浓度,溶质晶体析出，反之，则溶剂晶体析出。2、操作步骤：a、部分水分从水溶液中结晶析出b、冰晶与浓缩液加以分离。3、适用物料：特别适用于热敏性食品的浓缩。含挥发性芳香物质的食品浓缩。果汁、乳制品、醋、咖啡、茶叶提取物、啤酒和白酒等4、缺点：a、细菌和酶的活性得不到抑制，制品还需要再经热处理或加以冷冻保藏。b、受制于溶液浓度，还取决于冰晶和浓缩液可能分离的程度。c、不可避免的溶质损失。d、成本高。商业使用的外冷却式冷冻浓缩机：5、冷冻浓缩单元的类型冰晶体关键是控制冰结晶以形成合适的冰晶大小分布，通常认为，近似球状的均一分布的大冰晶（约400~500μm）可获得最佳分离效果.方法：如下表方式特点直接接触制冷剂膨胀真空膨胀间接接触内部冷却外部冷却制冷剂(氟里昂、丁烷、二氧化碳)直接膨胀到食品中在真空条件下，水汽化，将食品冷冻到冰点以下在夹套内使用制冷剂，将食品冷冻到冰点以下通过外部的热交换器来冷却食品或结晶浆体6、分离装置a、压榨机溶质损失决定于被压缩冰饼中夹带的溶液量b、离心分离机严重的缺点是挥发性芳香物的损失。c、洗涤柱原理：利用纯冰熔解的水分来排代晶间残留的浓液。洗涤柱几种型式（主要区别在于晶体被迫沿塔移动的推动力不同）（1）浮床洗涤柱推动力是晶体和液体之间的密度差。目前广泛应用于有机物系统的分离。弊端:粘度高会限制分离,因为冰晶体在柱中上升所需时间随粘度升高而增加。（2）螺旋洗涤柱利用螺旋推送为两相相对运动的推动力目前广泛应用于有机物系统的分离（3）活塞床洗涤柱以活塞的往复运动迫使冰床移动为推动力在国外已用于液体食品的冷冻浓缩1、膜分离简介：膜分离是一种使用半透膜的分离方法，从50年代后期开展研究，很快就由实验室阶段发展到工业化应用。目前已开始应用于海水淡化、苦咸水淡化，以及溶液的浓缩、分离和精制等。膜浓缩：通过半透膜的只是溶剂，则溶液获得浓缩，此过程称为膜浓缩。膜分离：如果此分离过程中通过半透膜的不仅是溶剂，而且有选择性地让某些溶质通过，因而溶液中不同溶质得到分离。2、膜分离分类：（根据过程推动力不同）a、反渗透和超滤以压力为推动力的膜过程b、离子交换膜（电渗析）以电力为推动力的膜过程四、膜分离3、反渗透和超滤应用于食品的浓缩优点：a、风味成分和香味成分不易失散。b、易保持食品的某些功效：例如蛋白的泡沫稳定性c、与蒸发浓缩、冷冻浓缩不同，不存在相变过程，故能量费用经济。应用例子：a、果汁、咖啡的浓缩，具有无相变、无热破坏、无挥发质损失的特点。b、蛋白、乳清蛋白质、明胶的浓缩，具有无机械破坏和热破坏的特点c、果胶溶液的浓缩，具有不降低果胶分子链长的特点（1）反渗透：原理：渗透压的影响因素：溶质的类型小分子比大分子有更高的渗透压浓度浓度高渗透压也高溶液的渗透压（Ⅱ）计算Ⅱ=-RTln（xA）/VmxA溶液中水的摩尔分数Vm水的摩尔体积对于稀溶液Ⅱ=cRT/Mwc溶质浓度，g/LMw溶质的相对分子质量（注：对于影响渗透压的各种溶质必须用平均相对分子质量）典型的反渗透工艺：透过膜的溶剂通量J[kg/（m2.h)]J=Kw(△p-△Ⅱ)Kw膜渗透因子,kg溶剂/(m2.h.kPa)△p透过膜的压力差,kPa△Ⅱ进料液与透过液的渗透压差,kPa对膜施加的压力越高，进料液的渗透压越低，膜的渗透性越好。Ns=Ks(cf-cp)Ns溶质通过膜的质量流量,kg/(m2.h)Ks膜渗透系数,m/hcf、cp进料液与透过液的溶质浓度，kg/m3溶质截留系数：透过膜的溶质的量与初始进料浓度之比R=（cf-cp）/cfR取决于不同分子对膜的透过性和选择性。大多数反渗透膜的R一般为0.9浓度极化：造成两种消极影响：a、局部浓度增高引起溶液中某一组分趋于饱和，使该组分在膜表面上成沉淀析出或形成凝胶，减少了有效膜面积或增加了串联的二次膜，所以也相应地使透水率降低。b、界面渗透压升高，推动力（△p-△Ⅱ）降低，也降低了透水速度。减少浓度极化的方法：a、进料液中应尽可能不含有不溶性的固体b、利用提高通过膜表面物料流速的技术。c、当浓度积累不太严重时，降低进料液的浓度。反渗透通量：影响因素：a、膜两侧压差膜的耐压性限制了膜两侧的最大压力差b、进料特征C、温度提高温度一般可以增加溶质通量，降低膜的截流系数，高温下，膜易受损。d、进料液浓度e、进料液流速：提高流速和增加湍流程度，可提高透过液通量。（2）超滤超滤与反渗透区别：主要体现在膜的种类通过控制透过膜的截留值大小，超滤可用于按分子大小对大分子进行选择性分级，可以使用特定截留值大小的膜，其分子质量的范围从几千到20000μ超滤通量：影响因素：a、膜两侧施加的压力差超滤采用的操作压力比反渗透中要低得多，一般35~1000kPa两个区域：透过液的压力控制区域J=K△p/μK膜通透能力△p操作压力差μ进料液黏度应用环境：操作压力差较小进料液浓度较低，进料速度高透过液通量的传质控制区：J=klnCG/CBK是传质系数CG高浓度区物料CB低浓度物料b、操作压力c、料液特性d、操作温度e、料液浓度f、通过膜的料液流速4、膜材料：适用于食品加工的半透膜要求：a、必须能够在长期高流量操作下始终保持必要的分离能力b、应能耐受卫生操作所必需的有效清洗和消毒。c、应具有较长的使用寿命。介绍几种材料：a、醋酸纤维膜优点：用于反渗透，有高透过液通量和良好的阻盐性，容易制造缺点：高温下易破裂，对pH敏感，可被氯离子破坏b、聚合物膜在超滤上，已经替代了醋酸纤维膜优点：能耐高温（75℃），适用较宽的pH（1~13），有较好的抗氯性能，易制造缺点：不耐高压C、合成膜或陶瓷膜优点：由于合成膜的惰性，此膜具有广泛的操作条件，并能抗氯腐蚀和容易清洗。缺点：价格相当昂贵。5、膜组件的设计a、平板框架式b、螺旋卷式优点：可使用的膜面积大，而所占面积小，增加通道内的湍流，会减少堵塞和浓度极化缺点：只能用低流速和低压力降，当液体流动不良时，会产生死区，导致局部堵塞，难以有效的清洗。c、