懸浮式冷凍濃縮中試設備的適應性研究

劉斌雄 陳冉 方婷 陳錦權

摘 要：為了解自制的改造后的冷凍濃縮中試設備的可行性，該研究利用低濃度的貢丸水煮液和中高濃度的橙汁檢驗冷凍濃縮中試設備對不同物料的適應性，并以貢丸水煮液濃縮為例計算能耗，結果表明，冷凍濃縮中試設備可將150kg、濃度1.6°Brix的貢丸水煮液濃縮至60.95kg、濃度4.7°Brix；可將300kg、濃度13°Brix的橙汁濃縮至88.27kg、濃度32°Brix。濃縮貢丸水煮液共耗時27.7h，生產冰晶單位耗能約為1 210.17kJ/kg，比蒸發濃縮節能53.1%。

關鍵詞：冷凍濃縮；中試設備；適應性

中圖分類號 TS203 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）19-0090-03

Abstract：In order to research the practicability of remade freeze concentration pilot equipment，the adaptability of pilot-scale equipment to different materials was examined with meatball boiled liquid in low concentration and orange juice in middle-high concentration.The energy consumption was calculated by the example of processing of meatball boiled liquid.The results show that the pilot-scale equipment of freeze concentration could increase the concentration of meatball boiled liquid from 1.6°Brix to 4.7°Brix along with the quality from 150kg to 60.95kg，besides，could turn the concentration of orange juice from 13°Brix to 32°Brix along with the quality from 300kg to 88.27kg.The whole time of concentration of meatball boiled liquid was 27.7h，the unit energy consumption of ice produced was about 1 210.17kJ/kg，which was 53.1% energy saving than evaporation concentration.

Key words：Freeze concentration； Pilot equipment； Adaptability

冷凍濃縮是在常壓下通過冷卻和凍結，將食品中的水分相變為冰晶體，然后分離去除冰晶，從而提高溶液中可溶性固形物濃度的濃縮方法[1]。根據冷凍濃縮中采用的結晶方式的不同，可將冷凍濃縮分為漸進式冷凍濃縮和懸浮式冷凍濃縮2種。懸浮式結晶冷凍濃縮是指在溶液中生成數量巨大的小冰晶，形成冰晶懸浮液，冰晶在帶有攪拌的低溫罐中不斷長大并被排除，從而溶液濃度增加的濃縮方法，也被稱為分散結晶濃縮法。冷凍濃縮在溶液冰點以下的溫度進行操作，整個濃縮體系處于低溫環境（一般低于0℃）中，避免了食品中熱敏性成分和香氣物質的熱分解、揮發，抑制了大部分酶的活性，降低了反應速率，同時微生物的增殖也被抑制，減小了污染和腐敗的危險，食品的品質和風味得到了保存和提高，安全性也得到了保障[2-5]。液體食品溶液通常含有多種組分，而冷凍濃縮過程去除的僅僅是水分，不會引起想要保留的營養或風味成分含量的變化。冷凍濃縮的能量消耗在理論上遠低于蒸發濃縮，具有十分廣闊的工業化應用前景[6]。

目前，冷凍濃縮由于其優異的產品品質，已被應用于藥物、高檔果汁等的生產中[7-8]。冷凍濃縮面臨的問題主要是當物料濃縮到一定程度時，冰點降低，黏度升高，難以生成大冰晶，而且迅速冷卻形成的微小冰晶與母液難以徹底分離，吸附在微小冰晶表面的可溶性固性物和其他有效成分也難以被回收利用，造成一些損失，從而限制了冷凍濃縮的應用[9-10]。為此，本研究通過改變懸浮式冷凍濃縮裝置結構，將冷凍濃縮裝置中的結晶罐上置，并完成其他主件設計，改間接冷卻為直接冷卻方式，以解決刮刀卡冰的問題，同時降低冰晶夾帶率。通過利用不同濃度的物料檢測改造后冷凍濃縮中試設備的適應性。

1 試驗材料、設備

1.1 試驗原料 貢丸水煮液：可溶性固形物含量為1.6°Brix，已去除油脂、淀粉等成分，由福建海壹食品飲料有限公司提供。鮮橙汁：可溶性固形物含量為13°Brix，經碟式離心機處理去除果肉組織，市購。

1.2 試驗設備 冷凍濃縮中試設備（自制）；WAY-2S型阿貝折射儀（上海精密科學儀器有限公司）；LB20T手持式糖度計（廣州市銘睿電子有限公司）；LB80T手持式糖度計（廣州市銘睿電子有限公司）；USB date Acquisition modules（IOtech，Inc.USA）；pDaqView溫度監測軟件（IOtech，Inc.USA）；微型電子計算機（聯想集團）；TJS100電子臺秤（福州日辰電子有限公司）；SS450型三足式過濾離心機（張家港市恒大離心機有限公司）；小型離心器（自制）；Dt862電度表（華立儀表集團股份有限公司）。

2 試驗方法

2.1 工藝流程 工藝流程如下：

[物料→冷卻降溫→結晶→重結晶→排冰→固液分離→濃縮液][冰晶][→]

2.2 操作步驟 試驗操作流程如下：原料預處理→清洗設備→進料→打開溫度監測pDaqView軟件→開啟物料循環系統→開啟制冷系統→開啟刮刀裝置→開啟漩渦式冰晶抽送系統→開啟冰晶排出系統→開啟排冰系統→過濾離心→數據測定及記錄→清洗

2.3 測定指標 （1）溶液可溶性固形物含量：采用手工取樣，利用醫用注射器從物料分配盤中取樣，約10mL，取樣前醫用注射器先潤洗一次，取樣后立即用反滲透水清洗。設定阿貝折射儀恒溫20℃，用膠頭滴管吸取少量均勻混合后的樣液，滴到阿貝折射儀棱鏡表面，讀取數據。各樣品重復測定3次，取平均值。（2）冰晶可溶性固形物含量：隨機取樣5～10g，離心，加熱使冰晶融化后，用膠頭滴管吸取少量均勻混合后的樣液，滴到阿貝折射儀棱鏡表面，讀取數據。各樣品重復測定3次，取平均值。（3）冰晶質量：采用直接稱量，待電子天平讀數穩定后記錄。（4）溶液溫度：采用Iotech公司生產的溫度采集器和配套軟件監測，在重結晶罐垂直方向等距分布三個監測點。

2.4 試驗設計

2.4.1 冷凍濃縮中試設備對低濃度物料的濃縮研究 以貢丸水煮液為例，研究設備對低濃度溶液的處理能力。（1）貢丸水煮液濃度和冰晶純度隨濃縮時間的變化：測定記錄濃縮過程中貢丸水煮液的可溶性固形物含量、冰晶的可溶性固形物含量，建立貢丸水煮液濃度、冰晶純度與濃縮進度的關系曲線。（2）貢丸水煮液質量和冰晶質量隨濃縮時間的變化：已知貢丸水煮液物料的總質量，通過測定記錄濃縮過程中貢丸水煮液物料的最初投放量，以及每次取出的冰晶質量和添加的物料質量，通過物料平衡原理，建立貢丸水煮液質量、冰晶質量與濃縮進度的關系曲線。

2.4.2 冷凍濃縮中試設備對中高濃度物料的濃縮研究 以橙汁為例，研究設備對中高濃度溶液的處理能力。（1）橙汁濃度和冰晶純度隨濃縮時間的變化：測定記錄濃縮過程中橙汁的可溶性固形物含量、冰晶的可溶性固形物含量，建立橙汁濃度、冰晶純度與濃縮進度的關系曲線。（2）橙汁水煮液質量和冰晶質量隨濃縮時間的變化：已知橙汁的總質量，通過測定記錄濃縮過程中橙汁的最初投放量，以及每次取出的冰晶質量和添加的物料質量，通過物料平衡原理，建立橙汁質量、冰晶質量與濃縮進度的關系曲線。（3）橙汁冰點曲線的確定：測定橙汁在不同濃度下的冰點溫度，建立橙汁的冰點曲線。

2.4.3 冷凍濃縮過程能耗分析 測定記錄濃縮過程中的電能消耗與冰晶質量，建立電能消耗、冰晶質量與濃縮進度的關系曲線。

3 結果與分析

3.1 冷凍濃縮中試設備對低濃度物料的濃縮研究

3.1.1 貢丸水煮液濃度和冰晶純度隨濃縮時間的變化 由圖1可知，隨著濃縮的進行，水煮液濃度由1.6°Brix濃縮至4.7°Brix，過程中總耗時約30h。濃縮過程中冰晶夾帶也逐漸升高，但都較小，最終的夾帶濃度為0.4°Brix。

3.1.2 貢丸水煮液質量和冰晶質量隨濃縮時間的變化 由圖2可知，水煮液濃度由1.6°Brix濃縮至4.7°Brix過程中總共產冰量為88.45kg，物料總質量由150kg濃縮至60.95kg，約有0.6kg的物料損失。損失的原因主要有進料時的濺灑以及管道殘留等。

3.2 冷凍濃縮中試設備對中高濃度物料的濃縮研究

3.2.1 橙汁濃度和冰晶純度隨濃縮時間的變化 由圖3可知，隨著濃縮不斷進行，橙汁濃度也不斷上升，而且上升速度越來越慢，可能的原因如下：一是物料整體溫度下降，與換熱器內壁溫差降低，設備產冰量減少，導致濃縮速度下降，二是后期物料濃度升高，黏度變大，分子運動阻力增大，重結晶難度加大，冰晶量減少。橙汁濃度由13°Brix濃縮至32°Brix，達到終點時冰晶夾帶濃度為2.3°Brix。

3.2.2 橙汁質量和冰晶質量隨濃縮時間的變化 由圖4可知，果汁濃度由13°Brix濃縮至32°Brix過程中總共產冰量為210.75kg，物料總質量由300kg濃縮至88.27kg，約有1kg的物料損失，損失的主要原因有進料時的濺灑以及管道殘留等。

3.2.3 橙汁冰點曲線的確定 由圖5可知，隨著橙汁濃度不斷上升，冰點溫度也不斷下降。橙汁的冰點曲線反映了濃縮過程中橙汁溶液和冰晶兩相之間的平衡關系。

3.3 冷凍濃縮過程能耗分析 由圖6可知。濃縮開始時電表讀數為256.2kW?h，濃縮結束后電表讀數為296.4kW·h，歷經27.7h的濃縮過程總共耗電40kW·h，共產生并分離冰晶88.45kg；

則除去1kg水耗電數為：40÷88.45=0.452kW·h；

折算能耗為：0.452×3.6×103×0.239=1628.77kJ；

同時得到1kg的冰，相當于回收能量418.6kJ，實際能耗：389.1-100=1210.17kJ。

理論上蒸發濃縮除去1kg水耗能（假設蒸發溫度為100℃，初溫為20℃）：

顯熱Q1=M0×C×△T=1×1×（100-20）=334.88kJ

蒸發潛熱Q2=M×△H=1×536=2243.69kJ

總耗能=Q1+Q2=80+536=2578.57kJ

能耗比=289.1/616=0.469，或者說節約能耗=（616- 289.1）/616=53.1%。由此看出，冷凍濃縮與蒸發濃縮比較可以節能53.1%，大大降低了能耗。

4 結論

本研究利用不同濃度的物料檢驗對改進后的冷凍濃縮中試的適應性。冷凍濃縮中試設備對貢丸水煮液濃縮處理的結果表明，該套設備將150kg、濃度1.6°Brix的物料濃縮至60.95kg、濃度4.7°Brix，耗時27.7h，生產冰晶單位耗能約為1 210.17kJ/kg，比蒸發濃縮節能53.1%。冷凍濃縮中試設備對橙汁濃縮處理的結果表明，該套設備將300kg、濃度13°Brix的物料濃縮至88.27kg、濃度32°Brix，耗時130h。冷凍濃縮中試設備對貢丸水煮液和橙汁的濃縮處理具有較為實際的應用價值。

參考文獻

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（責編：張宏民）