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1、冷冻浓缩技术3冷冻浓缩的应用4冷冻浓缩的发展前景1基本理论和介绍2装置系统welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience发展状况自上世纪50年代末学者们开始关注冷冻浓缩这一工艺以来，人类对冷冻浓缩技术的研究已有较长的历史。荷兰Eindhoven大学Thijssen等在70年代成功地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。冷冻浓缩是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
2、。具有可在低温下操作;气液界面小;微生物增殖、溶质的劣化及挥发性芳香成分的损失可控制在极低的水平等优点。冷冻浓缩是近年来发展迅速的一种浓缩方式。图1为表示水溶液与冰之间的固液平衡关系的示意图,图中物系组成为质量分数。与冷冻浓缩有关的是共晶点E（溶液组成wE）以左的部分。DE为溶液组成和冰点关系的冻结曲线，冻结曲线上侧是溶液状态，下侧是冰和溶液的共存状态。在温度T的状态下，冷却组成为wA的溶液到T时，开始有冰晶析出，TA是溶液的冰点，继续冷却至B点，残留溶液的组成增加为wB，凝固温度降为TB，理论上讲最终可浓缩至wE，这就是冷冻浓缩的原理。基本原理下图所示,可分为冷却过程、冰结晶生成与长大的
3、结晶过程及冰和浓缩液的分离过程。冷冻浓缩依结晶方式的不同可分为悬浮结晶冷冻浓缩法和渐进冷冻浓缩法冷冻浓缩过程结晶过程结晶的大小不仅与结晶成本有关，而且也与此后的分离有关，因此，要降低结晶和分离的成本，减少溶质的损失，必须要有适当大小的冰晶。晶体的大小和数量与溶液冷却速度和冰晶成长速度有关，晶体成长速度与溶质向晶面的扩散作用和晶面上的析晶反应作用有关，因此，可利用结晶操作的条件来控制晶体大小和数量。结晶形式一种是在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行的，称为层状冻结。这种冻结是晶层依次沉积在先前由同一溶液所形成的晶层之上，是—种单向的冻结。冰晶长成针状或棒状，带有垂直于冷却面的不规则断面。层
4、状冻结的特点悬浮冻结法另一种，发生在搅拌的晶体悬浮液中．称为悬浮冻结。它是一种不断排除在母液中悬浮的自由小冰晶，使母液浓度增加而实现浓缩的方法。以此为基础制造的Grenco冷冻浓缩设备至今仍被作为冷冻浓缩设备的代表,其浓缩过程如图3所示。悬浮冻结法该过程首先将被浓缩物料泵入刮板式热交换器中,生成部分细微的冰结晶后送入再结晶罐,由于奥斯特瓦尔德效应,小冰晶融化,大冰晶成长,然后通过洗净塔排除冰晶并用部分冰融解液冲液及回收冰晶表面附着的浓缩液,清洗液回流至进料端,浓缩液则循环至所要求的组成后从结晶罐底部排出。这一方法用于速溶咖啡、速溶茶、浓缩橙汁等的生产,得到了高质量产品。但由于投资大、成本高
5、,引用该系统进行冷冻浓缩加工的厂家很有限,还未能在更大的范围内推广悬浮冻结的特点在悬浮冻结过程中，晶核形成速率与溶质浓度成正比，并与溶液主体过冷度的平方成正比。由于结晶热一般不可能均匀地从整个悬浮液中除去，所以总存在着局部的点其过冷度大于溶液主体的过冷度。从而在这些局部冷点处，晶核形成就比溶液主体快得多，而晶体成长就要慢一些。因此，提高搅拌速度，使温度均匀化，减少这些冷点的数目，对控制晶核形成过多是有利的。在悬浮冻结操作中，如将小晶体悬浮液与大晶体悬浮液混合还一起，混合后的溶液主体温度将介于大、小晶体的平衡温度之间。由于此主体温度高于小晶体的平衡温度，小晶体就溶解，相反大晶体就会长大。因此
6、，若冷点处所产生的小晶核立即从该处移出并与含大晶体的溶液主体均匀混合，则所有小晶核将溶解。这种以消耗小晶体为代价而使大晶体成长的作用，常为工业悬浮冻结操作中所采用。由于在母液中形成大量的冰结晶,单位体积冰晶的表面积很大,所以悬浮结晶法的优、缺点都非常突出。其优点是能够迅速形成洁净的冰晶且浓缩终点较大,但是冰结晶与浓缩液的固液分离比较困难比较困难。为了方便分离,希望得到尽可能大的冰结晶以减少总的固液界面,因此需要使再结晶槽保持较小过冷却度,以避免二次核的生成,以使冰结晶缓慢地成长,最后成较大的冰晶[6]。该过程对装置和操作的要求均较高。同时,由于低温下浓缩液粘度大,也给固液分离增加了困难,在
7、目前采用的方法中,离心法和加压法分离效果不佳,洗净法回收效果较好[7],但是大量洗净液的再浓缩会降低生产效率并使能耗增加。这些都是造成悬浮结晶法成本高的原因综上所述对悬浮结晶法应注意研究的问题有:增大冰晶直径减小单位体积冰晶的表面积;更加有效地控制结晶过程,以避免二次核的生成。（2）分离过程对于冰晶一浓缩液的过滤分离，过滤床层为冰晶床通常浓缩液透过冰床的流动为层流，过滤速度的计算式为：由上式可以看出，在分离操作中，生产能
