第八章+食品的浓缩与结晶技术

单效真空蒸发设备
双效真空蒸发设备
三效真空蒸发设备
2.多效蒸发的形式
按照多效蒸发加料方式和蒸汽流动方向，可分为顺流式、
逆流式和平流式三种多效蒸发。
至真空泵
料液 蒸汽
冷水
加热蒸汽
原料液
成品
（a）
三效真空浓缩装置流程图 （a）顺流法； （b）逆流法； （c）平流法.
成品
（b）
蒸汽
至真空泵 冷水
冷凝水 冷凝水 冷凝水
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 液和溶剂的分离方法。如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，故 也称为膜分离。
食品的浓缩与分离紧密相联系在一起。
浓缩在食品工业中的其主要目的：
① 减少重量和体积 浓缩去除食品中大量的水分，减少 食品包装、贮藏和运输费用。 ② 可提高制品浓度，增大渗透压，降低水分活度，抑制 微生物生长，延长保质期。 ③ 作为干燥、结晶或完全脱水的预处理过程。 ④ 降低食品脱水过程的能耗 。 ⑤ 改善产品质量。
至真空泵
冷水
料液 蒸汽
成品
（a）
（b）逆流法
随着料液向前一效流动，浓度越来越高，而蒸发温度 也越来越高，故各效料液黏度变化较小，有利于改善循 环，提高传热系数。但高温加热面上的浓料液的局部过 热易引起结垢和营养成分的破坏，且效间料液的输送需 用泵来实现。与顺流相比，水分蒸发量稍低。逆流法适 合黏度随温度和浓度变化大的料液的蒸发。
加热蒸汽
原料液
成品
（b）
（c）平流法
平流法适用于在蒸 发进行的同时有晶体 析出的料液的浓缩， 如食盐溶液的浓缩结 晶。
蒸汽
至真空泵 冷水
冷凝水 冷凝水 冷凝水
成品
成品
成品
有些多效蒸发同时采用顺流和逆流加料法，即某些效采用顺流， 而另些效采用逆流，充分利用其优点，这种蒸发方法称为混流加料 法，尤其适用于料液黏度随浓度而显著增加的料液蒸发。在多效蒸 发流程中，有时将某一效的二次蒸汽引出一部分用于预热物料或用 于其他加热目的。被引出的二次蒸汽称为额外蒸汽。从蒸发器中引 出额外蒸汽作为它用，是一项提高热能利用率和经济性的措施。
一、蒸发浓缩的分类
根据对二次蒸汽的利用分为：单效蒸发和多效蒸发； 根据操作压力分为：常压蒸发、真空蒸发和加压蒸发； 根据操作方式分为：间歇式蒸发、连续式蒸发和循环式蒸发。
单效真空蒸发 设备
双效真空蒸发 设备
三效真空蒸发 设备
二、蒸发浓缩过程对物料的影响
料液在蒸发浓缩过程中发生的变化对浓缩液品质有很 大的影响，因此在选择和设计蒸发器时要充分认识物料液 的特征。
§8.3 食品的冷冻浓缩技术
一、概 述
冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的 一种浓缩方法。即将水溶液中的一部分以冰的形式析出， 并将其从液相中分离出去而使溶液浓缩。
原料液
冷却
结晶
分离
冰晶
浓缩液
冷冻浓缩的流程图
优点：
其一：气液界面小，微生物增殖低，溶质的变质及挥发性 芳香成分的损失可控制在极低的水平。
:
Qn Kn
② 邻效间等压差原则 即各效之间的压力降相等。 ③ 各效蒸发量按比例原则 若无额外蒸汽引出的顺流操作，各
效水分蒸发量（W）可按经验比例进行初步估计： 双效： W1∶W2＝1∶1.1 三效： W1∶W2∶W3＝1∶1.1∶1.2
通过各效的蒸发量，可计算出各效料液的浓度及沸点。 随着有效温差的提高，热交换效率提高。带热压泵的真空蒸 发器有效温差应在15～25℃，降低或提高有效温差会带来加热 器中料液循环受阻现象，导致热效率下降。在乳制品生产中， 不能靠提高生蒸汽的压力来提高有效温差，但温差也需维持在 10～15℃。
水平管式不适合于结垢制品 琼胶、明胶、肉浸出液的浓缩采用间歇式
热敏
低或中等 管式、板式、固定圆锥式
包括牛奶、果汁等含适度固形物的制品
热敏 高热敏
高
刮板膜式、固定圆锥式
低
管式、板式、固定圆锥式
包括多数果汁浓缩液、酵母浸出液及某些 药品。对浆状制品只能用刮板膜式
要求单效蒸发
高热敏
高
板式、固定圆锥式
要求单效蒸发，包括橙汁浓缩液、蛋白
某一较稀溶液起始浓度为X1，温度在A1点， 对该溶液进行冷却降温，当温度降到冰点线A 点时，如果溶液中无“冰种”，则溶液不会 结冰，其温度将继续下降至C点，成为过冷溶 液。过冷溶液是不稳定液体，受到外界干扰， 如振动、搅拌，溶液中就会产生大量的冰晶， 并逐渐长大。此时，溶液的浓度增大为X2， 冰晶的浓度为0，即纯水。如果把溶液中的冰 粒过滤出来，即可达到浓缩目的。
多效真空蒸发浓缩可以节省蒸发的蒸汽消耗，且随效 数的增加，耗汽量不断下降。但并非效数越多越好，在 食品工业中，目前应用最多的是3～5效真空蒸发，工业 上采用最多的也只有7效，即效数是有限的，其原因：
① 物料性质的限制 ② 设备费用增加 ③ 温差损失增加
5.多效蒸发过程中的节能措施
提高多效蒸发效率，降低能耗，主要有： ① 设计开发新型蒸发设备； ② 蒸汽再压缩蒸发； ③ 利用余热预热物料或用于其他加热目的。 在蒸汽在压缩蒸发过程中，利用各种压缩方法，将二次蒸汽的 热力状态提高到接近原来的生蒸汽状态，是多效蒸发过程中最为常 用的节能措施。
① 符合工艺要求，溶液的浓缩比适当； ② 传热系数高，有较高的热效率且能耗低； ③ 结构合理紧凑，操作、清洗方便，卫生、安全可靠； ④ 动力消耗要低; ⑤ 设备要便于检修，并有足够的机械强度。
蒸发器的选用
物料热敏性 制品黏度 适用的蒸发器类型
说明
无 无或小
低或中等 高
管式、板式、固定圆锥式 真空锅、刮板膜式、旋转圆锥式
§8.2 食品的蒸发浓缩技术
蒸发是食品工业中应用最广泛的浓缩方法之一，具有操 作简单，工艺成熟，设备投资低，浓缩效率高等优点。其 原理是利用溶质和溶剂之间挥发度的差异，利用热能使溶 剂汽化，而溶质是非挥发性的则留在溶液中，从而达到分 离的目的。
食品工业中浓缩物料大多为水溶液，食品蒸发浓缩的物 料有的是原液，如牛奶、血液；有的是榨出汁如果汁、蔬 菜汁等；也有萃取浸提物如茶、中草药等。
四、蒸发浓缩过程的节能与多效蒸发
单效真空蒸发广泛应用于食品浓缩。其最大优点就是容易操作 控制；可依据物料的粘性、热敏性等，控制蒸发温度和蒸发速率； 由于物料在单效蒸发器内停留时间长，会带来热敏性成分的破坏， 且物料在不断地浓缩，其沸点也随浓度的提高而增大，黏度也随 浓度和温度的变化而变化,因此浓缩过程要合理选择和控制蒸发温 度。由于液层静压效应，从而引起的液面下局部沸腾温度高于液 面上的沸腾温度，同时因料液黏度增大，物料在蒸发过程中湍动 小，更易增大温度差异，甚至加热面附近料液温度接近加热面温 度，引起局部结垢、焦化，严重影响热传递。
组成成分的变化，物料的粘稠性、结垢性、泡沫性、 结晶性、风味形成与挥发的变化，对设备腐蚀性等。
三、蒸发器的类型及选择
蒸发器主要由加热室（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物料。加热 室的型式随着技术的发展而不断改进。最初采用的是夹层式和蛇 （盘）管式，其后有各种板式、管式等换热器形式。为了强化传 热，采用强制循环替代自然循环，也有采用带叶片的刮板薄膜蒸 发器和离心薄膜蒸发器等。
蒸发器分离室的作用是将二次蒸汽中夹带的雾沫分离出来。为 了使雾沫中的液体回到料液中，分离室需具有足够大的直径和高 度以降低蒸汽流速，并有充分的机会使其返回到料液中。早期的 分离室位于加热室之上，并与加热器合为一体。由于出现了外加 热型加热室（加热器），分离室也可成为独立的分离器。
选择、设计蒸发器，要以料液的特性（热敏性、黏度等）作为重 要依据，全面衡量，通常选用蒸发器要满足以下的基本要求：
第八章
食品的浓缩与结晶技术
食品浓缩的分类和目的 食品的蒸发浓缩技术 食品的冷冻浓缩技术 食品的膜浓缩技术 （自学） 食品的结晶技术
§8.1 食品浓缩的分类和目的
浓缩是从溶液中除去部分溶剂（通常 是水）的操作过程，也是溶质和溶剂均匀 混合液的部分分离过程。
按浓缩的原理分为平衡浓缩和非平衡浓缩两种物理方法。
单效蒸发还存在热耗高，传热面积不能太大等特点，限制其蒸 发能力的提高。对于生产量很大的现代化大型食品加工厂，真空 多效蒸发显示出了其更大的优越性。
1.多效真空蒸发的特点
①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，减少传热面积； ②物料在较低温度下蒸发，可以减少对热敏性物料的破坏； ③便于采用低压蒸汽和废热蒸汽作为热源，降低能耗，提高生 产效率。 ④真空蒸发需要配备真空系统，会增大设备投资及动力消耗。
1
6.87 0.855 11.2 1.4 575 126
28 536 690 270
蒸发效数
2
3
3.23
2.07
0.404
0.259
9.7
13.3
1.21
1.66
201
109
185
230
40
52
188
102
413
384
270
380
4
1.57 0.182 16.7 2.09
76 300 55 73 428 500
成品
成品
成品
（c）
（a）顺流法
由于后一效蒸发室的压力比前一效低，料液在效间的
输送不用泵而可利用各效间的压力差；后一效料液的沸点
比前一效低，当料液进入下一效时发生闪蒸现象，产生较
多的二次蒸汽；浓缩液的温度依次降低，对热敏性物料的
浓缩有利；但随着逐效料液浓度增高，温度降低，黏度增
大，传热系数下降，增加了末效蒸发的困难。
其二：相对于蒸发，能耗低。
采用冷冻浓缩方法，溶液在浓度上 是有限度的。当溶液中溶质浓度超过 低共熔浓度时，过饱和溶液冷却的结 果表现为溶质转化为晶体析出，此即 结晶操作的原理。这种操作不但不会 提高溶液中溶质的浓度，反而降低了 溶质的浓度。但当溶液中所含溶质的 浓度低于共熔浓度时，则冷却结果表 现为溶剂（水）变成晶体（冰晶）析 出。与此同时，剩下溶液中的溶质浓 度就大大提高，此即冷冻浓缩的基本 原理。
T A1
D A
F
B
C
E
X1
X2
X
冷冻浓缩过程示意图
设原溶液的总量为M，冰晶的量为G，浓缩液为P，根据溶质的
物料平衡，有：
(来自百度文库 P) X1 PX 2 或
G X 2 X1 BC
P
X1
3.多效蒸发的温差分配
在给定的总操作条件下，由于各效温差的损失，多效蒸发器的 传热有效温差总是小于总温差。若将第一效的加热蒸汽温度设为
T1，冷凝器的冷凝温度为TK，则总温差为ΔT＝T1－TK，。在理想 的情况下（无能量损失），有效温差∑ΔT 等于总温差；实际上，
总温差小于总温差。
各效间有效温差的分配应符合下列比例关系：
4.多效蒸发的效数
多效蒸发的最大优点是充分利用热能，即蒸发单位质量的水所 消耗的蒸汽消耗降低，且效数越多，冷却水用量越少。但随着效 数的增加，电耗、泵、蒸发器、预热器等也随之增加。
用于脱脂乳真空浓缩的效数与其他消耗的关系
指标
一次蒸汽消耗 /t•h-1 二次蒸汽消耗 / t汽•h-1 电耗 /kW•h 电耗比 /kW•h•t-1水 冷却水耗量 /m3•h 换热器面积 / m2 预热器、灭菌器等 冷凝器 总热交换面积 /m2 奶受热时间 /s
温 度 ℃
溶质
温 度 ℃
最低共熔点
水
冷冻浓缩方法对热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的饮 料及中草药浸提液等的浓缩特别有利，由于溶液中水分的减少不是通过加 热蒸发的方法，而是靠从溶液到冰晶的相际传递，因此可以有效地避免易 挥发性物质和易变性物质的损失。为了更好地使操作时形成的冰晶不混有 溶质，分离时又不致使冰晶夹带溶质，造成过多的溶质损失，溶剂结晶操 作要尽量避免局部过冷，分离操作要较好地控制，在此情况下，冷冻浓缩 就可以发挥其独特的优越性。对于含挥发性芳香物质的食品采用冷冻浓缩， 其品质优于蒸发法和膜浓缩法。 冷冻浓缩不可避免地还存在一定的缺点： ① 制品冷冻浓缩处理后，需进一步冷冻或加热等方法处理，以便保藏。 ② 采用这种方法，不仅受到溶液浓度的限制，而且还取决于冷晶与浓缩的 分离程度。一般而言，溶液黏度愈高，分离就愈困难。 ③ 过程中不可避免地会造成溶质的损失，且成本较高。
T1
: T2
: T3
: Tn
Q 1
K1 A1
:
Q2 K2 A2
:
Q3 K3 A3
:
Qn Kn An
确定各效有效温差，常用以下几种原则：
① 各效面积相等原则 按此原则，各效传热面积A相等。使用
相同的大小的蒸发器也便于制造、安装、检修和操作。此时：
T1
:
T2
:
T3
: Tn
Q 1
K1
:
Q2 K2
:
Q3 K3