1、第三章 食品的浓缩,第一节 浓缩的目的和分类 第二节 蒸发浓缩 第三节 冷冻浓缩第四节 膜浓缩,本章内容简介,第一节 浓缩的目的和分类,浓缩：从溶液中除去部分溶剂（通常是水）的操作过程，也是溶质和溶剂均匀混合溶液的部分分离过程。,一、目的,减少重量和体积 浓缩去除食品中大量的水分，可减少食品包装、贮藏和运输费用。提高制品的浓度、增大渗透压、降低水分活度、延长制品的保质期。,100t含固形物6%的番茄肉（去除皮和种子），若将其浓缩成32的番茄酱，则重量减至18.7t，体积为原来的16，可将贮运要求及费用大大降低。,浓缩是结晶操作的预处理过程及结晶控制的一种手段。 降低食品脱水过程的能耗真空浓缩尤
2、其是多效真空浓缩，常常是食品干燥的前处理过程。 改善产品质量。,甘蔗汁经净化、蒸发浓缩去除水分，并进行浓缩结晶是蔗糖生产的必经工艺过程。,按浓缩的原理分类平衡浓缩蒸发浓缩冷冻浓缩非平衡浓缩-膜分离,二、分 类,平衡浓缩：是利用两相在分配上的某种差异而获得溶质浓缩液和溶剂的浓缩（分离）方法，常用的平衡浓缩方法有：蒸发浓缩和冷冻浓缩。非平衡浓缩：是利用半透膜等来分离溶质和溶剂的过程。两相由膜隔开，分离不是靠两相的接触。产透膜不仅用于分离溶质和溶剂，也可以用于分离各种不同分子大小的溶质，又称膜分离。,第二节 蒸发浓缩,一、蒸发浓缩的基本原理,食品工业上应用最为广泛的浓缩方法。不少食晶物料是水溶液，因
3、此蒸发指的是水溶液的蒸发。,蒸发可以在常压、真空和加压下进行，按操作压力分，可分为常压蒸发、真空蒸发和加压蒸发。在食品工业中，多采用真空蒸发。按蒸发操作的方式分：间歇式；连续式；循环式。 蒸发是食品工业上应用最为广泛的浓缩方法。水蒸发浓缩的必要条件是：不断供给热能和不断排出二次蒸汽。为了强化蒸发过程，工业上采用的蒸发设备都是在沸腾状态下汽化。,一、蒸发浓缩的基本原理,按照分子运动学观点，溶剂受热时分子获得了动能，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而进入上部空间，成为蒸汽分子，如果热能不断地供给，生成的蒸汽被不断地排除，则可打破溶剂气相和液相之间化学势的平衡，溶剂
4、的气化将持续地进行。,一、蒸发浓缩的基本原理,真空蒸发的主要特点,1.在真空条件下，液体的沸点低，有利于蒸发2.减少对热敏性食品成分的破坏3.便于采用低压蒸汽或废蒸汽作为加热源，利于多效蒸发4.真空蒸发需要配套的真空系统，增大设备投资及动力损耗5.热量消耗大,二、蒸发浓缩过程食品物料的变化,（一） 食品成分的变化（二）粘稠性（三）结垢性（四）起泡性（五）结晶性（六）风味形成与挥发性（七）腐蚀性,三、蒸发器的类型及选择,蒸发器主要由加热室、分离室组成。 加热室：利用水蒸气为热源来加热被浓缩的物料。分离室：将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。,蒸发器的类型及选择,（一）选用蒸发器的基本要求 1.符合工
5、艺要求，溶液的浓缩比适当；2.传热系数高，有较高的热效率，能耗低；3.结构合理紧凑，操作、清洗方便，卫生、安全可靠；4.动力消耗低，设备便于检修，有足够的机械强度。,（二）蒸发器的类型,1、循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，以提高传热效率。（1）中央循环管式蒸发器（2）外循环管式蒸发器,2、膜式蒸发器,根据蒸发器内物料的流动方向及成膜原因可分为以下几种类型。（1）升膜式蒸发器（2）降膜式蒸发器（3）升/降膜蒸发器（4）刮板式薄膜蒸发器（5）离心式薄膜蒸发器（6）板式蒸发器,升膜式蒸发器,是原料液从蒸发器底部进入，被蒸汽带动，沿着管往上流。特点： 液体高度湍流-为了摆脱重力影响而向上运动
6、，因此升膜蒸发器不适用于高粘度产品和加热表面易结垢的产品。,降膜式蒸发器,是原料液从蒸发器顶部进入，随重力作用沿着管壁向下流动。适用于蒸发量大、热敏、发粘、发泡物质的蒸发。应注意控制加样速率不易过快。,升/降膜蒸发器,设备简介：升/降膜蒸发器是将加热器分成两程，一程做稀溶液的升膜蒸发，另一程为浓稠液的降膜蒸发，这种蒸发器集中了升、降膜蒸发器的优点。,设备特点：（1） 由板片式加热器、分离器、预热器、冷凝器、真空泵、热压泵和控制系统组成 （2）具有大蒸发量、高效率、高浓缩比、低能耗、快速、升降膜式蒸发；（3）采用板式镜面换热、清洗方便。 蒸发温度低、部份二次蒸汽经喷射式热压泵重新吸入一效加热器，
7、热量得到充分利用，蒸发温度为7545，而耗汽量是单效25%；（4） 可实现全自动化生产。,刮板式薄膜蒸发器,设备简介：可用于易结晶、易结垢、高粘度或热敏性的料液浓缩。但该结构较复杂、动力消耗大，处理量较小，浓缩比一般小于3。,设备特点： （1）滞留层薄，热阻影响小，传热系数大，蒸发效率高。 （2）物料在蒸发面上的停留时间短，不结焦、不结垢、不需清洗去垢。 （3）适用的粘度范围宽广，既可以处理高粘度，也可以处理含固体的溶液。 （4）操作弹性大，浓度调节方便，可以实现自动化操作。 （5）结构独特，刮板工作可靠，维护方便，内筒精加工光洁度高，使刮板不易磨损。,适用范围：适于粘度高、混杂结晶的液体浓缩
8、，一般浓缩比可达7。,本设备采用离心式滑动沟槽转子，是目前国外最新结构蒸发器，在流量很小的情况下也能形成薄膜，在筒体蒸发段内壁表面附着处理液中的淤积物可被活动刮板迅速移去，和固定间隙的刮板蒸发器相比，蒸发量可提高40%-69%。,设备特点： （1）通道宽，蒸汽角孔大，适合真空和低压蒸发及冷凝（2） 设备占地少，易于安装和清洗（3）制造复杂，造价较高，周边密封橡胶圈易老化。 适用范围：适于果蔬汁物料的浓缩，酒精的蒸发，沉淀物的浓缩等。,板式蒸发器,设备简介：板式蒸发器冷凝器是唯一能将蒸发器和冷凝器两种工况结合在一个换热器完成的。它是由一组激光焊接和传统的垫片密封通道交替组成。,四单效蒸发与多效蒸
9、发,（一）单效蒸发凡溶液在蒸发器内蒸发，所产生的二次蒸气不再加以利用则此种操作称为单效蒸发。 为了浓缩热敏性物料，常采用单效真空蒸发。,（二）多效蒸发,原理一台蒸发器实质上是一台特殊的热交换器。就加热蒸发冷凝侧而言，它是冷凝器，就溶液沸腾侧而言，它又是低压蒸气发生器。对此低压蒸气，可利用它作为另一蒸发器的热源。这时后一蒸发器就可看作是前一台发生的二次蒸气的冷凝器。通常称前者为第一效，后者为第二效。这种串联操作还可推广至三效、四效、五效等，统称为多效蒸发。,多效降膜式蒸发器,设备简介：设备特点：降膜式蒸发器因不存在静液层效应，物料沸点均匀，传热系数高，停留时间短。但液膜的形成仅依靠重力及液体对管
10、壁的亲润力，故蒸发量较小，一次蒸汽浓缩比一般要小。 （1）由一、二、三效加热器，一、二、三效蒸发器、预热器、冷凝器和热压泵组成。 （2）蒸发耗量低，1kg蒸汽可蒸发4kg水。 （3）蒸发温度低，部分二次蒸汽经喷射式热压泵重新吸入一效加热器，热量得到充分利用，蒸发温度相对较低。 （4）浓缩比大，降膜式蒸发，使粘度较大的料液容易流动蒸发，不容易结垢，浓缩时间短，浓缩比可达到15。 （5）可实现全自动化生产，智能化系统管理，符合GMP标准要求。,多效蒸发加料方法,1. 顺流加料法 2. 逆流加料法 3. 平流加料法,蒸气和料液的流动方向一致，均从第一效到末效。,缺点：沿料液流动方向浓度逐渐增高，致使
11、传热系数下降，在 后二效中尤为严重。,优点：,在操作过程中，蒸发室的压强依效序递减，料液在效间流动不需用泵；,料液的沸点依效序递降，使前效料进入后效时放出显热，供一部分水汽化；,料液的浓度依效序递增，高浓度料液在低温下蒸发，对热敏性物料有利。,顺流法,料液与蒸气流动方向相反。原料由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序至末效。,优点：浓度较高的料液在较高温度下蒸发，粘度不高，传热系 数较大。,缺点：（1）各效间需用泵输送； （2）无自蒸发； （3）高温加热面上易引起结焦和营养物的破坏。,逆流法,平流法 平流法指原料液分别加入各效加热器进行浓缩，浓缩
12、后的浓缩液分别从各效放出。加热蒸汽是从第一效通入，二次蒸汽则顺序通入各小以至末效。因此从各效蒸发器得到的浓缩液浓度相同，并且二次蒸汽的热量能得到充分利用。 只用于蒸发浓缩操作进行的同时有晶体析出的场合，比如食盐溶液的浓缩。,3、平流法,多效蒸发设备,蒸发设备主要由加热室(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。加热室的型式随着技术的改进而不断发展。最初采用的是夹套式和蛇管式，其后有卧式短管加热式和竖式短管加热式。为了强化传热过程，采用强制循环代替自然循环，也有采用带叶片的刮板薄膜蒸发器等。蒸发器分离室的作用是将二次蒸气中央带的雾沫分离出来。二次蒸气之所以
13、夹带雾沫，是因液体沸腾时，气泡到达液面破裂后，产生许多小雾滴所造成。为使这些雾滴下落回到液体中，分离室须具有足够大的直径和高度，以降低蒸气流速，并有充分机会使其返回液体中。分离室的型式，最初是将其置于加热室之上并与后者并成一体。其后，出现了外加热型加热室(加热器)，分离室也就独立成为分离器。,五、蒸发浓缩过程香味的保护与回收,果蔬香味成分主要是由各种有机化合物如酯、醇、酸、醛、内酯等所组成其量少于 0.1mg/kg，却是影响果蔬汁品质的主要因素。果蔬香味多具挥发性，因此香味回收是蒸发液缩过程必须考虑的措施。,采用低温蒸发浓缩设备，减少香味成分的挥发 采用短时蒸发浓缩设备 蒸馏法回收 浆液浓缩工
14、艺,措 施,第三节 冷冻浓缩,（一） 概念 冷冻浓缩是利用冰和水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。 主要应用于原果汁，高档饮品、生物制品、药品、调味品等的浓缩。,（二） 特点,1、优点 浓缩过程不涉及加热，适用于热敏性食品物料的浓缩，可避免芳香物质因加热造成的挥发损失。2、缺点 浓缩过程微生物和酶的活性得不到抑制，制品还需进行热处理或冷冻保藏； 冷冻浓缩的溶质浓度有一定限制，且取决于冰晶与浓缩液的分离程度； 有溶质损失； 成本高。,蔗糖水溶液的液固相图,（三）基本原理,1、冷冻浓缩过程中的固液相平衡 当溶液的浓度低于低共熔浓度时，温度T1的溶液降温到T2以下，溶剂（水）成晶体（冰晶）析出
15、；随着冰晶体的形成及分离，溶液就获得了浓缩。2、冷冻浓缩过程中溶液的冰点 在纯水中加入溶质形成溶液时，冰点就下降，温度下降多少与形成的溶液浓度高低有关。冷冻浓缩过程中，随着水分结成冰，溶液浓度不断升高，冰点不断下降。,（三）基本原理,3、冷冻浓缩过程中的冰结晶量和浓缩液量 设原蔗糖溶液的总量为 kg，生成冰晶量为kg，蔗糖浓缩液量为kg，根据溶质的物料衡算应有：X1=PX2 ,即（）X1=PX2或（X2 X1）X1,（三）基本原理,4、冷冻浓缩过程中的溶质夹带和溶质脱除 （1） 溶质夹带 冷冻浓缩过程中析出的冰结晶中有或多或少的溶质混杂其中（2） 溶质脱除 是指水分冻结时，排斥溶质，保持冰晶纯
16、净的现象，只有保持在极缓慢冻结的条件下，才有可能发生。5、浓缩终点,二冷冻浓缩的过程与控制,（一）冰晶生成及控制冰晶生成速率（）冻结速度（）冻结方法（）搅拌方式（）溶液浓度（）食品成分,（一）冰晶生成及控制,冰晶生成的方式（）层状冻结是在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行，又称为规则冻结。 （）悬浮冻结在受搅拌的冰晶悬浮液中进行的冰晶成长过程称为悬浮冻结。,（二）冰晶与浓缩液的分离,冰晶分离有压榨、过滤式离心和洗涤等方法。,（三）冰晶的洗涤,在冰晶形成过程中，存在着溶质夹带现象，在实际冷冻浓缩中，夹带主要由冰晶表面吸附造成，溶质主要存在于冰晶表层。为避免损失，可采用稀溶液、冰晶融化后的水及清
17、水对冰晶洗涤，将冰晶表面吸附的溶质洗脱焉，用清水洗涤容易造成浓缩液稀释。,三 应用于食品工业的冷冻浓缩系统,（一）单级冷冻浓缩装置系统（二）多级冷冻浓缩装置,第四节 膜浓缩,膜浓缩-类似于过滤的浓缩方法，只不过“过滤介质”为天然或人工合成的高分子半透膜，如果“过滤”膜只允许溶剂通过，把溶质截留下来使溶质在溶液中的相对浓度提高就称为膜浓缩。,一、膜浓缩的种类及操作原理,目前在工业上应用较成功的膜浓缩主要有以压力为推动力的反渗透 (Rever Osmosis, 简称 RO) 、超滤(Ultra Filtration,简称 UF)，以及以电力为推动力的电渗析(ED) 。,1. 反渗透,在所有膜浓缩技
18、术中，反渗透的应用是最多的，它对于水溶液中的有机物，金属离子，微生物，其它胶体类物质具有较高的去除能力；尤其在水中含盐量大于400mg/L时效果更好。反渗透的基本工作原理,工作原理： 反渗透是与自然渗透方向相反的一种膜浓缩技术，在渗透与反渗透的过程中都是由半透膜的作用才能完成的。 据下图我们来分析一下反渗透的工作原理：,在左图中，我们用半透膜隔开两种浓度不同的溶液，刚开始时两侧水平是平齐的，但由于浓度不同，浓度差造成两侧的化学势不同, 稀溶液中的水透过半透膜向浓溶液一侧流动，直到两侧达到平衡为至； 现在浓溶液一侧加上一个外来压力P2 ，渗透速度会逐步下降，当压力超过某一数值时渗透停止，即达到了
19、渗透平衡。P2P1 （即为渗透压差） 当P2进一步增大时,浓溶液中的水就会反其原来的渗透方向进入稀溶液侧，这就叫做反渗透。,影响反渗透效率的因素：压强、温度、浓度差极化、膜的压实、膜的降解、膜的结垢等,如图所示：如果用一个只有水分子才能透过的薄膜将一个水池隔断成两部分,在隔膜两边分别注入纯水和盐水到同一高度。 如图所示：过一段时间就可以发现纯水液面降低了，而盐水的液面升高了。我们把水分子透过这个隔膜迁移到盐水中的现象叫做渗透现象。盐水液面升高不是无止境的，到了一定高度就会达到一个平衡点。这时隔膜两端液面差所代表的压力被称为渗透压。渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。 如图所示：在以上装置达到平衡
20、后,如果在盐水端液面上施加一定压力，此时，水分子就会由盐水端向纯水端迁移。液剂分子在压力作用下由稀溶液向浓溶液迁移的过程这一现象被称为反渗透现象。 如果将盐水加入以上设施的一端，并在该端施加超过该盐水渗透压的压力，我们就可以在另一端得到纯水。这就是反渗透净水的原理。,纯净水设备-反渗透膜结构示意图,Jw = a(P-) Jw-透水率 m3/m2.h ；a-膜常数； P-压强； -渗透压从公式中可以看出Jw与P成线性关系，即透水速率正比于溶液压力与渗透压的差值。但随着压力P的增加线性关系会逐渐受到破坏，这主要是由于受到浓度差极化的现象所引起的。,压强（P）,变化趋势：温度升高、透水率上升、正相关
21、；T升高、分子运动加剧、更多的水分子在了穿过膜孔的机会，透水率自然增加。,透水速率受温度的影响通常遵循阿伦尼乌斯公式：或者：Jw 透水率 m3/m2.h ; a- 膜常数 b - 常数 T-热力学温度，K,温 度（ T）,1.定义：在反渗透过程中，主要是溶剂透过膜，而溶质大部分透不过，在分离过程中，在溶液与膜的界面上，溶质逐渐积累。当其浓度超过主体液浓度时，产生了界面与主体液之间的浓度梯度，引起溶质从界面向主体液扩散，这就叫浓度差极化。,浓度差极化,2.后果：降低了透水速率和膜系统的分离能力溶剂从低浓度向高浓度处扩散流动，难度自然很大；边界层溶质的增加，推动力也增加，动耗增加；边界层的存在，相
22、当于膜的厚度增加。3.控制 从流动方式上：平行于膜表面流动（错流）；b 使用较小的管径的管子；c 设置湍流发生器产生湍流。,现象：在反渗透时膜组件一直承受较高的压力，长期使用后产生压实，膜被压变形。膜表面的孔与多孔支撑体内的孔变小、变少，致使通透性变差，影响了透过速率。解决办法：增强膜的机械强度，减少膜的变形；定期进行反冲洗，恢复膜的原有的空隙。,膜的压实,分生物降解与化学降解两种形式。控制：选用化学性质稳定的膜材料，防止化学降解；生物降解是微生物在膜上繁殖的结果，可用清洗消毒方法除；例如可用甲醛溶液或双氧水溶液对膜进行消毒等。,膜的降解,膜的结垢主要由悬浮物、离子化合物或盐类物质构成。悬浮物
23、可通过预处理除去，离子化合物或盐类物质可以通过添加螯合剂沉淀过滤除去；增加湍流，使物质不能在膜表面沉淀。,膜的结垢,2.超滤,应用孔径为1.020.0nm（或更大）的半透膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子在溶液中得到浓缩的过程称之为超滤浓缩。,超滤的基本原理示意图,超滤与反渗透：整个过程非常相近（包括工业上常用的工艺流程及装置） UF：以筛分为主选择性渗透为辅；透过原理： RO：以选择性渗透为主筛分作用为辅膜孔径：UFRO操作压力：ROUF,工作范围：,超滤,应用孔径为1.020.0nm（或更大）的半透膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子在溶液中得到浓缩的
24、过程称之为超滤浓缩。 超滤的推动力也是压力差，但与反渗透不同的是，超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用，即符合所谓的毛细-孔流模型。决定截留效果的主要是膜的表面活性层上孔的大小和形状。除筛分作用外，粒子在膜表面微孔内的吸附和在膜孔中的阻塞也使大分子截留。,超滤,（三）电渗析,电渗析工程是应用膜法分离工程之一，它的原理是利用离子透过选择性离子交换膜在直流电场的作用下进行迁移，使电解质离子从溶液中部分分离出来的过程。 主要用途 生产纯净水 海水淡化，苦咸水淡化 除氟化物、废水处理 动力设备给水除盐,电渗析,离子交换膜与电渗析的传递过程,1.离子交换膜是一种高聚物电解质薄膜，它与球形的或不定形的离
25、子交换树脂具有相同的化学结构，可分为基膜与活性基团两部分。,立体网状的高分子化合物,固定基团与可交换离子，可交换离子分为阳离子与阴离子两种。,RSO3H RSO3-+ H+ RN(CH3)3OH RN(CH3)3+ +OH-,阳离子交换膜,离解,基膜,固定基团,可离解离子,活性基团,离解,阴离子交换膜,可离解离子,二、 膜材料的种类及膜组件,1. 膜的性能-膜的物化稳定性和分离透过性能。膜的物化稳定性主要是指膜的耐压性、耐热性、适用的pH值范围、化学惰性、机械强度。膜的物化稳定性主耍取决于构成膜的高分子材料。,2. 膜的种类纤维素膜聚亚酰胺膜聚砜系膜,三、膜浓缩在食品中的应用,果汁的浓缩 蔗糖液的浓缩 干酪制造过程中脱脂乳的浓缩 从大豆乳清废液中提取大豆蛋白质 电渗析浓缩法制盐,四、影响膜浓缩的因素（一）影响反渗透浓缩和超滤浓缩的因素,1. 膜材料的种类和性能 2. 溶质的特性 3. 溶液的性质4. 操作条件 （1） 操作压力；（2） 操作温度； （3） 操作时间；（4） 浓差极化 5. 膜的维护 （1） 膜的压实；（2） 膜的降解； （3） 膜的结垢,（二）影响电渗析操作的因素,1. 膜的极化 2. 电解质的浓差扩散3. 水的渗透 4. 压差渗漏5. 膜的污染和中毒,
