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1、1主要内容主要内容I.浓缩的分类和目的II.蒸发浓缩III.冷冻浓缩IV.膜浓缩V.食品的结晶第1页/共76页2.浓缩及其分类浓缩及其分类u浓缩是从溶液中除去部分溶剂（通常是水）的操作过程，也是溶液中溶质和溶剂部分分离的操作过程。第2页/共76页3浓缩的目的和作用浓缩的目的和作用减少食品物料的重量和体积。提高制品的浓度，增大渗透压、降低水分活性、延长制品的保质期。浓缩是干燥及结晶的预处理过程。真空浓缩过程还有脱气作用。第3页/共76页4浓缩的种类浓缩的种类u按操作方法可分为蒸发浓缩、冷冻浓缩、膜浓缩等。u按浓缩的原理，可分为平衡浓缩和非平衡浓缩。第4页/共76页5.蒸发浓缩蒸发浓缩u使含有不挥
2、发性溶质的溶液沸腾汽化，从而使溶液中溶质浓度得到提高的单元操作称为蒸发浓缩，简称蒸发。第5页/共76页6汽化汽化u溶液受热时溶剂分子获得了动能，当某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。第6页/共76页7二次蒸汽二次蒸汽u工业上蒸发浓缩采用的热源通常为水蒸汽，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸汽。为了把两者区别开来，称前者为加热蒸汽或生蒸汽，称后者为二次蒸汽。第7页/共76页8蒸发的必要条件蒸发的必要条件u蒸发的必要条件是不断供给热能和及时排除二次蒸汽。第8页/共76页9蒸发的必要条件蒸发的必要条件u如果不设法除去
3、这些二次蒸汽，则处于液相上部空间的二次蒸汽的气压将逐渐增大，当气压增至该温度下水的饱和蒸汽压时，逸出液面与进入液相的水分将趋于平衡，表观汽化趋于停止。第9页/共76页10一、蒸发的种类一、蒸发的种类u按操作室压力可分为：常压蒸发加压蒸发减压（真空）蒸发u按二次蒸汽的利用情况可分为：单效蒸发多效蒸发第10页/共76页11一、蒸发的种类一、蒸发的种类u按操作的方式可分为：间歇式连续式循环式第11页/共76页12真空蒸发的主要特点真空蒸发的主要特点在真空条件下，液体的沸点低，有利于增大加热蒸汽与液体之间的温差，增大传热效率，减少蒸发器所需的传热面积；物料在较低温度下蒸发，减少对热敏性食品成分的破坏；
4、第12页/共76页13真空蒸发的主要特点真空蒸发的主要特点便于采用低压蒸汽或废蒸汽作为加热源，有利于多效蒸发，降低能耗；真空蒸发需要配套的真空系统，会增大设备投资及动力损耗；由于蒸发潜热随沸点降低而增大，故热量消耗较大。第13页/共76页14单效蒸发与多效蒸发单效蒸发与多效蒸发u蒸发过程产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用的蒸发操作为单效蒸发。u将蒸发过程中产生的二次蒸汽直接或经加压后引入另一蒸发器，作为该蒸发器的热源，可提高体系热能的利用率，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。第14页/共76页15间歇式蒸发间歇式蒸发u又称分批式（或批量式）蒸发。在蒸发器中料液的添加是不连续的，随着蒸发的进行，当料液浓
5、缩至所需的浓度时停止加料和蒸发，把浓缩液一次性排出，完成一批物料的蒸发浓缩处理。第15页/共76页16间歇式蒸发的特点间歇式蒸发的特点u间歇式蒸发会使部分物料（先进入蒸发器的那部分物料）长时间受热，故不适于热敏性物料的浓缩；u设备利用率低；u但该类设备结构简单，最终浓度容易控制，适于小规模生产。第16页/共76页17连续式蒸发连续式蒸发u在蒸发器中料液的添加和排出都是连续进行的。u该操作方式物料受热时间短，适于热敏性食品物料，设备利用率高，处理量大，是常用的浓缩方法。u这种操作方式的主要缺点是终产品浓度波动较大，特别是在浓缩比较大时，控制难度较大。第17页/共76页18循环式蒸发循环式蒸发u在
6、连续式蒸发器中使一部分浓缩液返回蒸发器使器内料液浓度逐渐增加，以提高终产品的浓度一种浓缩操作方式。u在浓缩比较大时，连续蒸发难以一次完成的情况下采用循环式蒸发。第18页/共76页19二、蒸发浓缩过程中食品物料的变化二、蒸发浓缩过程中食品物料的变化（一）食品成分的变化（二）食品物料粘稠性增加（三）结垢（四）发泡（五）结晶（六）风味形成与挥发（七）设备的腐蚀第19页/共76页20.冷冻浓缩冷冻浓缩u是利用在低温条件下食品溶液中的冰和水之间的固液相平衡原理进行食品溶液浓缩的一种浓缩方法。第20页/共76页21冷冻浓缩的优点及应用冷冻浓缩的优点及应用u过程不涉及加热，可避免食品中热敏性成分的破坏和食品
7、中芳香物质的挥发损失，获得高品质制品。u主要用于原果汁、高档饮品、生物制品、药品、高档调味品的浓缩。第21页/共76页22冷冻浓缩的不足之处冷冻浓缩的不足之处u浓缩过程微生物和酶的活性得不到破坏，制品需冷冻保藏。u浓缩比不高，浓缩程度有限。u有溶质损失。u生产成本高。第22页/共76页23冷冻浓缩的基本原理冷冻浓缩的基本原理u食品溶液中的溶剂（即水）在食品冷冻过程中形成冰结晶析出，随着冰晶体的形成和分离，食品溶液中的水逐渐减少，溶液逐渐被浓缩。第23页/共76页24水的相图和三相点水的相图和三相点第24页/共76页25冷冻浓缩的终点冷冻浓缩的终点食品的低温共熔点为-55-65。理论上，冷冻浓缩
8、过程可持续进行至食品的低温共熔点；但实际上在此点远未到达之前，浓缩液的粘度已经很高，此时很难将冰晶与浓缩液分开；因此，冷冻浓缩产品的最终浓度不可能很高。第25页/共76页26冷冻浓缩的溶质夹带现象冷冻浓缩的溶质夹带现象在冷冻浓缩过程中，析出的冰结晶不可能达到纯水的状态，总是有或多或少的溶质混杂在其中，这种现象称为冷冻浓缩的溶质夹带现象。夹带有内部夹带和表面附着两种。第26页/共76页27冷冻浓缩的过程与控制冷冻浓缩的过程与控制冰晶生成及控制冰晶与浓缩液的分离冰晶的洗涤第27页/共76页28冰晶生成及控制冰晶生成及控制冷冻浓缩过程，要求形成的冰晶大小适当。冰晶过小，液固分离困难，溶质夹带较多；冰
9、晶过大，结晶速度慢，操作费用高。第28页/共76页29影响冰晶大小的因素影响冰晶大小的因素1.冰晶体生成速率2.局部过冷3.水分的扩散速率4.冰晶生成的方式5.其他因素第29页/共76页301.冰晶体生成速率冰晶体生成速率冰晶体生成速率取决于冻结速度、冻结方法、搅拌、溶液浓度和食品成分。当溶液接近冰点时冻结速度过快，容易形成较多的晶核，冰晶体积细小，溶质夹带多。第30页/共76页312.局部过冷局部过冷在层状冻结中，当冻结面的温度较低时，靠近冻结面的液体容易出现局部过冷，导致产生的冰晶细小，冻结层的溶质脱去率较低。第31页/共76页322.局部过冷局部过冷搅拌有助于传冷，可防止局部过冷。浓度较
10、高的溶液初始冻结点较低，在冻结时不易出现局部过冷的现象。成分不同的食品具有不同的导热性，导热性能越好的食品，在冻结过程中越不容易出现局部过冷的现象。第32页/共76页333.水分的扩散速率水分的扩散速率冰晶体的成长是晶核周围的水分不断在晶核表面结晶的结果，水分扩散速率越快，形成的冰结晶越大。影响水分扩散速率的因素主要有溶液的粘度和搅拌。溶液粘度越高，水分扩散系数越小，不利于晶核的成长，生成的冰晶会比较细小。第33页/共76页344.冰晶生成的方式冰晶生成的方式冷冻浓缩过程结晶生成方式有两种，一种是在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行，称为层状冻结。另一种发生在搅拌的冰晶悬浮液中，称为悬浮冻结
11、。第34页/共76页355.适当的搅拌适当的搅拌适当的搅拌不但有利于防止局部过冷，而且有利于主体溶液中的水分迁移到冰晶体表面进行晶析，促使冰晶附近溶液中溶质向溶液主体扩散，减少溶质夹带。第35页/共76页36 膜浓缩膜浓缩u是指利用膜的选择透过性，使食品组分得到一定程度浓缩的操作。u主要有：超滤和反渗透第36页/共76页37 食品的结晶食品的结晶一、结晶的基本原理二、食品工业常用结晶技术与设备第37页/共76页38一、结晶的基本原理一、结晶的基本原理（一）晶体的定义、种类和特性（二）溶解度和溶液中的相平衡（三）晶核及其形成（四）晶体的生长第38页/共76页39（一）晶体的定义、种类和特性（一）
12、晶体的定义、种类和特性u晶体是规则排列的质点(原子、分子、离子)所组成的固体。u晶体可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体u具有规则的几何外形、固定熔点和各向异性。第39页/共76页40晶体的性质晶体的性质u晶体具有自发地生长成为结晶多面体的可能性，即晶体经常以平面作为与周围介质的分界面，这种性质称为晶体的自范性。u晶体的几何特性及物理效应常随方向的不同而表现出数量上的差异，这种性质称为晶体的各向异性。第40页/共76页41晶体的性质晶体的性质u晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成都相同，这种性质称为晶体的均匀性。u晶体的几何特性及物理效应还具有对称性。u从内部结构的规律性和稳定
13、性来说，只有晶体才是真正的固体。第41页/共76页42（二）溶解度和溶液中的相平衡（二）溶解度和溶液中的相平衡u任何固体物质与其溶液相接触时，如溶液还未达到饱和，则固体溶解；如溶液已达到过饱和，则超过饱和量的那部分溶质会从溶液中析出；如果溶液恰好达到饱和，则既没有固体溶解，也没有溶质析出。第42页/共76页43（二）溶解度和溶液中的相平衡（二）溶解度和溶液中的相平衡u要使溶质结晶出来，必须首先设法使溶液变成过饱和溶液，或者说必须设法产生一定的过饱和度作为结晶的推动力。第43页/共76页441.1.物质的溶解度特征物质的溶解度特征u溶解度的大小。u溶解度随温度的变化情况（正溶解度和逆溶解度）。u
14、温度对可形成水合物晶体的物质的溶解度的影响。u物质的溶解度特征是决定物质结晶方法的选择的关键因素。第44页/共76页452.2.过饱和度与结晶的关系过饱和度与结晶的关系u饱和溶液仅仅是在溶解度曲线上才能存在，沿着溶解度曲线向高浓度移动，就进入过饱和区域，处于过饱和区域内的溶液称为过饱和溶液。u通过蒸发溶剂或降低温度可使饱和溶液变成过饱和溶液，从而使溶液中的溶质结晶析出，这就是结晶操作的基本方法。第45页/共76页46溶液的过饱和度与结晶的关系溶液的过饱和度与结晶的关系第46页/共76页47（三）晶核及其形成（三）晶核及其形成u晶核是过饱和溶液中新生成（析出）的微小晶体粒子，是晶体生长必不可少的
15、核心。u溶质的分子、原子或离子相互聚合，形成线体、晶胚，最终成为一定粒度的晶核，这个过程称为成核(nucleation)过程，工业上称为起晶。第47页/共76页481.1.晶核形成的方法晶核形成的方法自然起晶法自然起晶法u自然起晶，又称自发起晶或“均相成核(homogeneous nucleation)”，是指澄清的过饱和溶液达到一定的过饱和度(处于不稳区)时，自发成核的过程。第48页/共76页491.1.晶核形成的方法晶核形成的方法自然起晶法自然起晶法u自然起晶法因为难以控制晶核生成速率，且自然起晶时溶液过饱和度高、粘度大、对流差，易出现晶粒不齐、并晶、粘晶等缺点，故较少在工业结晶中应用。第
16、49页/共76页501.1.晶核形成的方法晶核形成的方法刺激起晶法刺激起晶法u刺激起晶，也称外界干扰诱导起晶或“非均相成核(heterogeneous nucleation)”，是指过饱和溶液受到一些其它因素的干扰而刺激成核。第50页/共76页511.1.晶核形成的方法晶核形成的方法刺激起晶法刺激起晶法u干扰因素可以是降温；溶液中固体杂质颗粒、尘粒；容器表面的粗糙度；搅拌器或循环泵叶轮的机械作用，造成固体晶粒的破碎、震动；电磁场、超声波、紫外线等。第51页/共76页521.1.晶核形成的方法晶核形成的方法刺激起晶法刺激起晶法u刺激起晶可以发生在比自然起晶较低的过饱和度。晶核的析出使溶液浓度降低
17、，便于控制在亚稳区内使晶体长大。第52页/共76页531.1.晶核形成的方法晶核形成的方法晶种起晶晶种起晶u也称为投种起晶法。是在较低过饱和度(亚稳区)时投入一定重量和大小的相同溶质的晶粒，由于受晶浆中存在宏观晶体的影响而形成晶核的现象，也称“二次成核”。u在绝大多数工业结晶器中，该法是晶核的主要来源。若控制适当，可获得均匀整齐的晶体。第53页/共76页542.2.晶核的形成速率及影响因素晶核的形成速率及影响因素u晶核形成的速率为单位时间内在单位体积的晶浆中或溶液中生成新晶核的数目。u成核速率是决定晶体产品粒度分布的首要动力学因素。u成核速率过高，会导致晶体细碎，粒度分布范围宽，产品质量差。第
18、54页/共76页552.2.晶核的形成速率及影响因素晶核的形成速率及影响因素u晶核的形成速率与溶液的浓度和能量的变化有关。u不管何种方法起晶，晶核的形成与晶核长大(晶体生长)都以过饱和度为推动力。故溶液过饱和度是影响晶核形成速率的最重要的因素。u料液的过饱和度越高，晶核的形成速率越快。第55页/共76页562.2.晶核的形成速率及影响因素晶核的形成速率及影响因素u在介稳区内，料液的过饱和度比较低，晶体生长较快，晶核形成速率较慢；尤其是在温度较低、溶液粘度很高以及溶液密度大的条件下，晶核的形成比较困难，晶核形成速率更慢。第56页/共76页572.2.晶核的形成速率及影响因素晶核的形成速率及影响因
19、素u溶液温度的变化会导致粘度、粒子运动能、溶剂结构、溶解度等的变化。随着平衡溶解度的变化，溶液的过饱和度也发生变化。u温度与成核速率的关系比较复杂，应当考查各种过程参数与温度的关系，然后将这些参数的作用加以综合考虑，以判断温度对成核速率的影响。第57页/共76页582.2.晶核的形成速率及影响因素晶核的形成速率及影响因素u机械作用对于晶核出现的速率有明显的影响。如振动、在过饱和溶液中发生的表面相互冲击、搅拌、甚至对过饱和溶液的轻微振动或往溶液中加入某种固体，都会在溶液中引起晶核形成，使成核速率明显增大。第58页/共76页592.2.晶核的形成速率及影响因素晶核的形成速率及影响因素u超声波也可以
20、加速成核。它对过饱和溶液作用的效率与其辐射功率有关，通常辐射强度愈高，成核开始的极限过饱和度愈低。u电场作用的大小与其频率和强度有关，其作用机理仍尚未清楚。它不仅可影响溶解物质的性质，且对微小的结晶物质微粒起着特殊捕集器的作用。第59页/共76页60（四）晶体的生长（四）晶体的生长u在过饱和溶液中已有晶核形成或加入晶种后，以过饱和度为推动力，晶核（或晶种）将长大，这种现象称为晶体的生长。u晶体的生长过程可以认为是分子运动的过程。尽管工业结晶过程有关晶体生长的理论和模型很多，比较普遍使用的有扩散学说。第60页/共76页61（四）晶体的生长（四）晶体的生长u扩散学说认为，溶质分子经过扩散作用而进入
21、晶体处，迅速在晶体（核）上结晶，晶体逐渐长大。u根据菲克（Fick）扩散定律，扩散量与浓度差、扩散面积和时间成正比，而与扩散行程成反比。第61页/共76页621.1.晶体的生长速率晶体的生长速率u晶体的生长速率可以用结晶速率来描述。u结晶速率的定义为：单位时间(min)内在单位面积(m2)上结晶的溶质的质量(mg)。第62页/共76页632.2.影响晶体生长的因素影响晶体生长的因素u过饱和度u温度u粘度u杂质u其他因素第63页/共76页64（1 1）过饱和度）过饱和度u晶体长大的推动力是晶体表面液膜的浓度差，过饱和度增大，可加大此浓度差，从而提高结晶速度。u但过高的过饱和度会使料液粘度提高，反
22、而会使结晶速度下降，且有可能使结晶过程操作困难及产生伪晶体。第64页/共76页65（2 2）温度的影响）温度的影响u温度不仅影响粒子的扩散速率和相界面上的反应速率，也影响溶液的粘度、溶质的溶解度及过饱和度、相临界面上的比能等物化特性。u对于某些有不同结晶水的物质的 结晶，温度控制对结晶物的组成影响很大。u结晶温度对晶体的晶形也有影响。第65页/共76页66（3 3）粘度的影响）粘度的影响u料液的粘度增加将导致溶质扩散到晶粒表面的速度下降，并使液膜增厚，扩散距离加长，从而导致溶质的结晶速率下降。u在工业结晶的末期，由于母液粘度增大、杂质增加，结晶速率受到影响；此时可采用加水稀释法降低粘度，使晶体
23、生长顺利进行，以提高结晶产量。第66页/共76页67（4 4）杂质的影响）杂质的影响u体系中杂质的存在对溶质结晶生长的影响比较复杂。u杂质影响晶体成长的途径各不相同。第67页/共76页68（5 5）其他因素的影响）其他因素的影响u适当的搅拌可提高结晶速率。u搅拌速率对结晶速率的影响受溶质的过饱和度的影响。过饱和度越大，搅拌速率越高越有效；而过饱和度较低时，搅拌速率对结晶速率的影响较小。第68页/共76页69（5 5）其他因素的影响）其他因素的影响u晶体的生长速率与晶体的粒度有关。一般来说，较大晶体的生长速率要比较小晶体的生长速率大。第69页/共76页70二、食品工业常用结晶技术与设备二、食品工
24、业常用结晶技术与设备（一）食品工业常用结晶方法（一）食品工业常用结晶方法u冷却法结晶u蒸发法结晶u真空法结晶第70页/共76页71（1 1）冷却法结晶）冷却法结晶u此方法主要适用于溶解度随温度的降低而显著下降的物质的结晶，如硝酸钠、硫酸镁、硫酸钠等无机盐和谷氨酸的结晶。u冷却结晶法常用的设备有：搅拌结晶器（又称为循环结晶器）、螺旋槽式结晶器和自然冷却结晶器。第71页/共76页72（2 2）蒸发法结晶）蒸发法结晶u此方法主要适用于溶解度随温度的降低而变化不大的物质（如氯化钠）及具有逆溶解度的物质（如无水硫酸钠等）的结晶。蔗糖和味精也采用蒸发法结晶。u常用的蒸发法结晶设备有：常压蒸发结晶器、真空蒸
25、发结晶器。第72页/共76页73（3 3）真空结晶法）真空结晶法u真空结晶法也称真空冷却法，是指热的饱和（或接近饱和）溶液在保温隔热的密闭容器中，在一定的真空度下发生闪蒸，除去大量溶剂，同时由于溶剂蒸发吸收大量潜热，溶液迅速冷却降温，从而使溶液进入过饱和状态，溶质结晶析出，完成结晶过程的结晶方法。第73页/共76页74（3 3）真空结晶法）真空结晶法u真空结晶法适于中等溶解度的物质的结晶。许多食品物料，如葡萄糖、柠檬酸、苹果酸等的结晶常采用此法。u真空结晶法也适于溶解度对温度敏感的溶质的结晶。第74页/共76页75（3 3）真空结晶法）真空结晶法u真空结晶与蒸发结晶的主要区别：前者的蒸发完全依靠抽真空来实现的，蒸发过程中没有加热操作，而后者在蒸发过程中肯定有加热操作。第75页/共76页76感谢您的观看！第76页/共76页