冷冻浓缩的基本原理教学课件ppt

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1、冷冻浓缩的基本原理1234目录前言冷冻浓缩基本原理冷冻浓缩过程与控制冷冻浓缩系统工作原理前言--发展概况20世纪70年代，荷兰Eindhoven大学Thijssen等人成功利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶,并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型,从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。之后，Shirai等为降低成本在采用悬浮结晶冷冻法时将小冰晶凝聚成为大冰晶来减小单位体积冰晶的表面积。他们还将此方法用于海水淡化及烧酒废液处理等方面。MarinoRodriguez等对比研究了反渗透法和冷冻浓缩法在去除废水中戊酸的应用，两种操作方法的经济运

2、算结果表明冷冻浓缩法的能耗虽是反渗透的五倍，但却正好折中了反渗透中所用膜的代价。前言--发展概况F.A.Ramos将冷冻浓缩技术应用于一种生长于安第斯山脉的浆果，发现此技术并未改变其果肉的色泽及PH值，但明显降低了挥发性物质的损失量，且很好地保留了浆果独特的香味。前言--概念与工艺流程冷冻浓缩：利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理，将水以固态方式从溶液中去除的一种浓缩方法。冷冻浓缩工艺流程：原料液冷却结晶分离冰晶浓缩液前言——特点优点：①低温操作，适用于热敏性物料的浓缩；②物料水分的除去不是以加热蒸发的方法，而是靠从溶液到冰晶的相际传递，因此可避免因加热造

3、成的芳香性挥发物的损失。缺点：①物料浓缩比较低，最终浓度不超过其低共熔浓度；②晶液的分离技术要求高，溶液的黏度越大，分离越困难，冰晶的夹带损失也越大；③成品中的微生物活性未能受到抑制，加工后仍需采用加热等后处理或需要冷冻贮藏；④浓缩过程中会造成不可避免的浓缩物损失，生产成本高。冷冻浓缩的基本原理冷冻浓缩原理：溶液受冷温度下降，在冰点以前其浓度不变；到达溶液冰点后，溶液中一部分溶剂因为溶液晶核的存在而结晶析出，剩下溶液浓度将不断上升；继续冷却溶液，直到到达溶液的最低共溶点，溶液中溶剂冰晶大量析出；此时在理论上，溶液中的溶剂达到最大冻结量，浓缩液浓度达到最大

4、值。低温冷却（稀）溶液溶液冰点（冰核）部分溶剂结晶低共溶点溶剂冰晶+浓缩液温度下降，浓度不变溶剂不断结晶析出浓度下降，直到平衡冷冻浓缩过程中水溶液与冰之间的固液平衡关系如图1所示：冷冻浓缩的基本原理图中曲线DE为溶液组成和冰点关系的冻结曲线，冻结曲线上侧为溶液状态，下侧为冰和溶液的共存状态。A点为溶液X的冰点，D点为纯水的冰点，TA明显低于T0，此即溶液的冰点下降，以△Ti表示，冰点下降现象的本质是溶液中水分化学势小于纯水的化学势所致。冷冻浓缩的基本原理冰点下降计算式：（1）T0：纯水的冰点，K；R：摩尔气体常数，8.314kJ/kmol/k；X：溶液浓

5、度，kmol/m3；△S:水转化为冰时的熵变，J/K。上式说明：冰点下降与溶液浓度成近似正比关系。图1中B点代表原溶液X的浓缩液，其温度为TB，浓度为XB，此时溶液为过冷溶液，温差（TA－TB）为溶液的过冷度。设原溶液X的总量为M，B点析出冰晶量为G，浓缩液量为P，冷冻浓缩的基本原理则根据溶质的物料衡算应有：即（4）式（4）表示，冰晶量与浓缩量之比等于线段与的长度之比，此关系式称为冷冻浓缩操作中的杠杆法则。根据此关系式可以计算冷冻操作中的冰晶量和浓缩液量。（2）（3）冷冻浓缩的基本原理图2所示为咖啡、蔗糖、苹果汁等流体食品的冻结曲线，利用该曲线可以进行冷

6、冻浓缩计算。例：浓度为10％的50kg苹果汁冷却到﹣10℃,查冷冻曲线，该温度在平衡条件下对应的浓缩液浓度为45％，根据杠杆法则可求得冰晶析出量：设冰晶量为G，则浓缩液量P=50－G（G+（50-G））10％=（50-G）·45％G=38.89(kg）所以，溶液冷却到-10°C将有38.89kg冰晶析出。图2某些流体食品的冻结曲线1-咖啡；2-蔗糖；3-苹果汁；4-葡萄汁；5-果糖冰晶体洗涤冰晶生成冰晶体分离13冷冻浓缩过程与控制2冷冻浓缩结晶操作时要求冰晶有适当的粒度，晶体粒度过大，结晶慢，操作费用增加；冰晶过小，造成分离困难，溶质夹带较多，因此生产过

7、程中应该确定一个最佳晶体粒度，既能使结晶和分离成本降低，又能使溶质损失减小。影响冰晶大小的主要因素有冰晶的生成方式及冰晶生成速率两方面。一般冷冻过程的冰晶生成方式有两种:层状冻结和悬浮冻结。冰晶生成也称规则冻结，是一种在管式、板式以及转鼓式、带式设备中进行的单向冻结。其晶层依次沉积在先前由同一溶液所形成的晶层之上，冰晶形状一般为针状或棒状，带有垂直于冷却面的不规则断面。又称分散结晶法，其特征为无数自由悬浮于母液中的小冰晶，在带搅拌的低温罐中长大并不断排除，从而使母液浓度增加而实现浓缩。层状冻结悬浮冻结冰晶生成--冻结方式冰晶生成—层状冻结层状冻结即层状结

8、晶法，又称渐进冷冻法或标准冻结法，此方法早已被用做微量成分的浓缩或纯化。如图3所